介紹
大多數(shù)關(guān)于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)方面的研究目的都在于及早的確認(rèn)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)缺陷的位置。結(jié)構(gòu)的疲勞損傷通常是由結(jié)構(gòu)的反復(fù)變形引起的。因此確認(rèn)物體最大變形位置就顯得十分重要。準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的分布對(duì)于確認(rèn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力以及疲勞應(yīng)力十分重要。此外，對(duì)于使用測(cè)試數(shù)據(jù)來校驗(yàn)或更新有限元模型的情況而言，精準(zhǔn)地獲得全場(chǎng)應(yīng)變分布同樣十分重要。
圖1 裝有應(yīng)變片的葉片
使用應(yīng)變片是最常見的應(yīng)變測(cè)試手段之一，這種方法有很多缺陷。使用應(yīng)變片時(shí)，需將其固定在被測(cè)物體上，對(duì)于小型輕量化結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)變片和連接線會(huì)對(duì)架構(gòu)帶來附加質(zhì)量和附加阻尼的影響。另一大難題是應(yīng)變片必須準(zhǔn)確地布置在預(yù)定位置，但對(duì)于實(shí)際測(cè)試結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應(yīng)變的位置可能會(huì)與模型預(yù)測(cè)的結(jié)果出現(xiàn)偏差，可能的原因是生產(chǎn)制造誤差引起的。沒有有限元模型作為指導(dǎo)很難確認(rèn)最大應(yīng)變發(fā)生的準(zhǔn)確位置，畢竟使用大量的應(yīng)變片是不切實(shí)際的。
基于光學(xué)測(cè)試的思路，許多用于應(yīng)變測(cè)試的光學(xué)測(cè)量方法被開發(fā)出來。掃描式多普勒激光測(cè)振儀（SLDV）是具有高空間分辨率、高振動(dòng)分辨率的一種非接觸式的光學(xué)測(cè)量手段，最初引入使用是在20世紀(jì)90年代，最近幾年加強(qiáng)了其3D測(cè)試的能力，可以將三維振動(dòng)分解成面內(nèi)與面外兩部分振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試分析。
理論背景
根據(jù)激光多普勒原理，使用SLDV可以準(zhǔn)確地獲得振動(dòng)平面的橫向位移，根據(jù)微變形理論，由彎曲引起的被測(cè)面應(yīng)變分量可表示為：
Z表示的是相對(duì)平板中心的橫向距離，w(x,y,t)表示橫向位移，x、y表示平面上某點(diǎn)的坐標(biāo)，t表示時(shí)間。
另一方面，結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變等于面內(nèi)位移的空間倒數(shù)。表面應(yīng)變通常是被關(guān)注重點(diǎn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變通常大于內(nèi)部應(yīng)變，更有可能導(dǎo)致疲勞失效，而面內(nèi)位移僅可通過3D掃描式激光測(cè)振儀獲得。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置與測(cè)試
如圖1所示，選取其中一片鋁制葉片作為測(cè)試樣件。該測(cè)試樣件很代表性，因?yàn)槿~片具有典型的三維曲率、尺寸較小、重量較輕、共振頻率高以及預(yù)期應(yīng)變小的特點(diǎn)。另一片葉片表面布置應(yīng)變片。將兩片葉片都安裝在激振器上并放置在PSV-3D激光測(cè)振儀前（如圖2）。
圖2 試驗(yàn)裝置：（a）PSV-400-3D；（b）攝像頭；（c）裝有待測(cè)葉片的激振器
掃描點(diǎn)可以通過Polytec公司的PSV軟件進(jìn)行定義，也可以將有限元模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)直接導(dǎo)入到系統(tǒng)中。從有限元模型中選取三個(gè)點(diǎn)，將它們的坐標(biāo)導(dǎo)入PSV軟件中，這樣方便將測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。接下來結(jié)合形貌掃描單元以及視頻處理技術(shù)來獲得各掃描點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)。
使用激光測(cè)振儀對(duì)沒有布置應(yīng)變片的葉片進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選擇掃頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，這樣就可以獲得葉片的頻譜（如圖3所示）。通過頻譜中的峰值來確定共振頻率，顯示相應(yīng)的振型并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
圖3 沒有貼應(yīng)變片的葉片頻譜圖
圖4 貼有10個(gè)應(yīng)變片的葉片頻譜圖
接下來在這些共振頻率處使用不同大小水平的正弦波進(jìn)行激勵(lì)，采集葉片在這些頻率處的應(yīng)變。激勵(lì)信號(hào)由Polytec集成在系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)發(fā)生器發(fā)出，然后經(jīng)外部功放進(jìn)行放大。使用衰減按鈕可以輕松地獲得0dB（10V）、-20dB和-40dB的激勵(lì)水平。
圖4展示的是黏貼在葉片上的應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果，激勵(lì)方式采用的是掃頻激勵(lì)。可以清楚地看到在某些共振峰處頻率出現(xiàn)了偏移，幅值由于受應(yīng)變片附加阻尼的影響而有所降低，特別值得注意的是在2kHz附近的共振峰完全消失了。這就說明了非接觸式的測(cè)量方法（光學(xué)）對(duì)于微小結(jié)構(gòu)測(cè)試的重要性。使用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試幾乎不可能獲得所有的共振頻率和準(zhǔn)確的應(yīng)變值（最大）。
模型驗(yàn)證
這一部分內(nèi)容主要是將激光測(cè)振儀和應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果與有限元模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行了一些修正。表1中所列的是有限元模型的分析結(jié)果和激光測(cè)振儀的測(cè)試結(jié)果。可以看出黏貼應(yīng)變片對(duì)結(jié)構(gòu)的共振頻率（高階）影響很大?？紤]到有限元模型獲得的振型與激光測(cè)振儀的測(cè)試結(jié)果比較一致，共振頻率上的差別不是很大，因此無需繼續(xù)更新有限元模型（邊界條件）。
應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的對(duì)比
接下來將介紹激光測(cè)振儀的應(yīng)變分布測(cè)試結(jié)果與有限元模型分析結(jié)果的對(duì)比。而且會(huì)對(duì)激光測(cè)振儀測(cè)試結(jié)果、有限元模型分析結(jié)果以及應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果做全面的對(duì)比。如圖5所示，激光測(cè)振儀與有限元模型的正應(yīng)變具有良好的一致性，除了垂直于曲面（X方向）的正應(yīng)變測(cè)試結(jié)果有一些偏差。進(jìn)一步的研究表明，通過激光測(cè)振儀可以獲得滿意的切應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。XY平面的切應(yīng)變一致性略差于其他平面，但總體結(jié)果結(jié)果仍令人滿意。
圖5 葉片在3975Hz處的正應(yīng)力。左側(cè)：有限元模型；右側(cè)：激光測(cè)振儀分析結(jié)果
上部：X軸；中部：Y軸；下部：Z軸
結(jié)論
研究表明通過激光測(cè)振儀可以獲得表面動(dòng)態(tài)應(yīng)變，無論是切應(yīng)變還是正應(yīng)變，通過測(cè)試方法獲得的數(shù)據(jù)都精確可靠。同時(shí)試驗(yàn)表明黏貼應(yīng)變片會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，共振頻率會(huì)發(fā)生偏移，共振峰值也被降低，而非接觸式激光測(cè)振儀顯然不會(huì)引起類似問題，更重要的是其測(cè)試精度要比應(yīng)變片高一個(gè)數(shù)量級(jí)。而在所有的光學(xué)測(cè)試方案中，只有3D全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀可以同時(shí)在低頻和高頻處獲得準(zhǔn)確的正應(yīng)變和切應(yīng)變。
