后退
一般研发

激光振动测量技术在船舶发动机涡轮增压器研发中的应用

边界条件、测量误差和重复性

MAN能源解决方案战略:

我们所服务的行业占全球二氧化碳排放量的很大一部分。我们深知,这为我们提供了巨大的影响力来解决排放问题。这就是我们每天早晨起床的动力。

乌韦·劳伯博士,首席执行官
MAN能源解决方案

在曼恩能源解决方案公司,我们为海事行业提供全面的发动机产品组合、螺旋桨、船尾设备及涡轮增压器。可靠性是我们所在行业的关键要素,在船舶领域尤为重要。在开发阶段,我们会通过模态试验对仿真模型进行验证和优化,并持续进行测试,直至部件通过验收进入批量生产。我们使用激光扫描振动计来采集数据。

在实际应用中,测量质量取决于多种因素。本文系统地探讨了影响测量结果的各种因素。这些研究应有助于从事振动测量领域的从业人员。

测量装置

这些影响是通过废气涡轮增压器的部件来演示的,这些部件具有较低的阻尼和复杂的几何形状,这两点都在测量和仿真过程中显著提高了模态密度。

图1:涡轮叶片测量
图2:涡轮叶片的挠度曲线

温度的影响

元件温度对测量结果的影响,以及由此对与仿真结果对比的影响,往往被低估。其原因在于杨氏模量的变化。

图3:模态的平均频率间隔随温度的变化

图3中测得的偏差对于后续的MAC对准而言可能已经相当显著。在此,频率与元件温度之间的线性相关性在所考察的温度范围内也显而易见。 随后应计算温度的大致影响,并在测量过程中记录元件温度(或环境温度)的任何偏差。当测量点数量众多或频率分辨率较高时,此举尤为重要,因为这些情况会延长顺序运行的扫描振动计后续的测量时间。

MAC对齐的网格位置偏差

模态试验旨在验证仿真模型。模态保证准则(MAC)是经实践验证的评估指标。通过比较计算结果与测量结果中的固有模态,可以确定每个模态的一致性程度。目标值应大于0.95。

采用以下测试方案:研究对象为一轴向涡轮叶片,其几何形状从有限元软件导入至PSV Software 。随后,将该叶片以0.5、1.0和2.0毫米为步长移动至初始位置,并观察其对MAC值的影响。 在初始位置对该对象进行三次设置和评估后,以MAC值的分布作为分析依据。结果如图4所示。

随着模态数的增加和本征模态变得更加复杂,结果中的数值偏差也会增大,其差异甚至可能高达20%。

因此,要获得良好的MAC对准效果,准确设置测量系统(3D对准)和被测物体至关重要。 另一方面,这意味着对于尺寸约为 50 毫米的物体,0.5 毫米的设置误差(即试样尺寸的约 10%)会导致 MAC 值误差约为 0.02–1%(无论处于哪种模态),因此在分析 MAC 值时可以忽略该误差。

图4:MAC值的偏差

边界条件:自由-自由简体中文(大陆)

只有当试验能够再现仿真中的边界条件时,试验结果才会显示出相同的固有频率和固有模态。仿真工程师所采用的“自由-自由”边界条件,在现实中只能近似地实现。试验会尽可能地接近这一条件,但固有频率的任何偏差都反映了试验的成功程度。

本文对比了两种“自由-自由”近似方法:

  • 刚性泡沫板支承
  • 橡皮筋支撑
图5:将涡轮叶片存放在硬质泡沫板上并用橡皮筋固定

如果比较两种支撑类型的频率偏差,结果便一目了然。在这种情况下,支撑类型没有显著影响。更重要的是,硬质泡沫支撑能可靠地保持被测物体的位置,从而即使在对多个试样进行连续测量时,也能仅使用一次3D对准。

图6:不同支撑类型之间的频率偏差

实际轮廓对理想轮廓的影响(CAE数据)

如图8所示,由于理想轮廓与实际轮廓之间存在差异,最初无法对第8模态(初始测量S36)进行计量学测量。在对试样进行几何测量并据此为现有实际轮廓建立新的有限元模型后,对于试样S36、S43和S01,该特征模态的吻合度达到了非常出色的水平。

图7:校正后几何体与导入几何体之间的MAC值偏差

激励位置

在一项关于弯曲杆的实验中,利用应变片和PSV测定了激励位置对传递函数的影响。激励采用模态锤进行。

为了将H1 PSV/应变片传递函数作为一项特性进行评估,本文采用PSV激光振动计测得的振动速度作为参考,而非力值。

结果如图10所示,激励位置会影响振动速度,具体取决于沿杆件的激励位置,但不会影响第1模态的H1传递函数。

图8:装有应变片和PSV测量点的带传感器弯杆
图9:第1模H1传递函数,沿杆长方向的振动速度

摘要

温度对弹性模量随温度变化的物体的影响不容忽视。在进行涉及长时间样本测试和温度条件不稳定的复杂任务时,必须特别考虑这一点。

若测量网格在试样上的定位误差在约1%量级(50 mm处误差0.5 mm),则会导致MAC值发生0.02…1.0%的变化,具体取决于振动模态。换言之,MAC 1在理想情况下会变为MAC 0.998至0.99,这一变化可忽略不计。

使用硬质泡沫作为支撑材料来对涡轮叶片进行自由-自由计算是完全可行的,并且能够快速、轻松地定位,特别是在进行系列测量时。

如果实际几何形状可能与理想几何形状存在偏差,则必须进行检查。如有必要,必须针对MAC对齐补充一次采用正确实际几何形状的计算。

沿弯曲杆改变激励位置对固有模态没有任何影响。

图片来源:除非另有说明,否则图片均由作者提供。封面图片:Aun Photographer/shutterstock.com

我们的作者

Harald Mittelhammer
噪声与振动,MAN能源解决方案
www.man-es.com

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