【量測】LDV於船用引擎渦輪增壓器應用

文章討論重點 - 邊界條件、量測不準確性和重複性

1. 溫度對設計的影響
2. 網格位置偏差
3. 硬質泡沫板支撑和橡皮筋支撑比較
4. 實際幾何形狀偏差
5. 激勵位置

可靠性是海運業的關鍵要素，而對於船舶而言更是至關重要。 在開發階段，使用模態測試驗證和優化類比模型，並對元件進行嚴格檢驗，直到準備好投入批量生產。 在此過程中，LDV發揮著重要作用，幫助我們收集數據。

在實際應用中，量測結果的品質受多種因素影響。 本文將系統地探討這些影響因素，希望能為振動量測領域的從業者提供説明。

為了詳細演示結果的各種影響因素，我們將使用來自排氣渦輪增壓器的部件進行實驗。

排氣渦輪增壓器部件的特點是阻尼低、幾何形狀複雜。

這兩者都會在量測和模擬過程中顯著增加模態密度。

溫度影響

溫度影響往往被低估，這是振動量測領域的一個常被忽略的重要因素。溫度變化會通過改變材料的楊氏係數來影響其振動特性，進而影響量測結果。

如下圖，中量測的偏差可能已經對後續的MAC對齊具有重要影響。 頻率和元件溫度之間的線性相干性在這裡也是顯而易見的。 然後應計算近似的溫度影響，並且應在量測期間記錄元件溫度（或環境溫度）的任何偏差。 如果有大量的量測點或高頻率分辨率，這將特別有用，這將延長依次操作的掃描振動計的後續量測時間。

網格位置偏差對MAC對齊的影響

模態測試旨在驗證模擬模型。 模態置信度準則（MAC）是一種行之有效的指標。 通過比較計算和量測中的本征模態，可以確定每個模態的相關程度。 目標值應大於0.95。

以下是測試設置：

• 研究物件： 一個軸向渦輪葉片。
• 軟體： 有限元（FE）軟體和PSV軟體。
• 步驟：
  1. 將葉片的幾何形狀從FE軟體加載到PSV軟體中。
  2. 將葉片以0.5、1.0和2.0毫米的步長移動到初始位置，並觀察對MAC值的影響。
  3. 在初始位置對葉片進行三次設置和評估。
  4. 使用MAC值的散佈作為分析的基礎。

結果值的偏差隨著模態的增加和本征模態的複雜化而增大，差異可能高達20%。

因此，量測系統（3D對齊）和物體的準確設置對於良好的MAC對齊至關重要。 另一方面，這意味著對於尺寸約為50毫米的物體，設置誤差為0.5毫米（約佔測試樣本尺寸的10%）會導致約0.02-1%的MAC值誤差，無論是哪種模態，因此在分析MAC值時可以忽略不計。

邊界條件：自由-自由（Free-Free）

只有在測試中能夠再現類比的邊界條件，測試才會顯示相同的自然本徵頻率和本徵模態。

模擬工程師使用的自由-自由邊界條件在現實中只能近似實現。

測試會盡可能接近，但本徵頻率的任何偏差都表明測試的成功程度。

以下兩種 「Free-Free」 近似方法進行了比較：

1. 硬質泡沫板支撐

2. 橡皮筋支撐

如果比較兩種支撐方式的頻率偏差，結果很明顯。

在這種情況下，支撐方式沒有顯著影響。更重要的是，硬質泡沫支撐可以可靠地保持物體的位置，這樣即使是多個測試樣本的連續量測，也可以使用單一的3D對齊。

實際與理想（CAE數據）的比較

如下圖所示，由於理想輪廓和實際輪廓之間存在差異，最初無法量測模式8（初始量測S36）。 在對測試樣本進行幾何量測並使用這些量測結果為現有實際輪廓建立新的有限元模型後，對於三個測試樣本S36、S43和S01，該本征模態的一致性達到了出色的範圍。

校正後的幾何圖形和導入的幾何圖形之間的 MAC 值偏差

激勵位置

在一項關於彎曲桿的實驗中，使用應變片和PSV（多點掃描鐳射振動計）來確定激勵位置對傳遞函數的影響。 使用模態錘進行激勵。

為了將H1 PSV/應變片傳遞函數作為一個特徵進行評估，這裡使用PSV鐳射振動計量測的振動速度作為參考，而不是力。

結果，下圖顯示，激勵位置對振動速度有影響，這取決於沿桿的激勵位置，但對模式1的H1傳遞函數沒有影響。

具有應變計和 PSV 測量點的儀表化彎桿

總結

• 溫度影響不可忽視： 對於具有溫度相關彈性模量的物體，溫度的影響不可忽略。 在進行涉及長採樣時間和不穩定溫度條件的大型任務時，必須特別考慮這一點。

• 網格位置偏差影響較小： 測試樣本上量測網格位置的錯誤，約為1%（0.5毫米/50毫米），會導致MAC值變化0.02%-1%，具體取決於模態。 換句話說，MAC值1會理想地變為MAC值0.998-0.99，這是可以忽略的。

• 硬質泡沫支撐適用於渦輪葉片： 使用硬質泡沫作為支撐物進行渦輪葉片的自由-自由計算是完全允許的，並且可以快速方便地進行定位，特別是在進行連續量測的情況下。

• 實際幾何形狀偏差需檢查： 如果可能存在實際幾何形狀與理想幾何形狀的偏差，則必須進行檢查。 如果有必要，需要增加一個使用正確的實際幾何形狀進行MAC對齊的計算。

• 激勵位置對本徵模態無影響： 沿彎曲桿改變激勵位置對本徵模態沒有影響。

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資料來源 Polytec MaMagazine