飞机油耗是当前关于全球气候变化讨论的热点话题之一，这其中一个重要的影响因素是飞机发动机本身的设计。整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而诞生的新型构件，其重量轻，效率高，现已在各国军用和民用航空发动机上得到广泛应用。
与传统发动机叶片不同，整体叶盘由一块材料加工而成。
振动测试和模态相关
与整体叶盘的诸多优点相对应，其制造工艺技术则面临着技术难题。由于它们是一体成型，表现出阻尼水平极低，并出现非常尖锐、明显的共振现象。
理想的整体叶盘是完全对称的，即所有的叶片均具有完全相同的几何外形和材料属性，叶片的振动模态也表现出对称性，振动能量在各叶片均匀分布。微小的加工误差就会造成叶盘失谐，一旦出现失谐现象，振动能量就会集中在一个或几个叶片上，出现明显的响应幅值放大现象。在叶盘运行时便体现在叶片的局部应力增加，并最终导致部件的过早疲劳失效（高周疲劳）。
为预测叶盘工作时的实际应力，我们需要有详细的有限元模型。第一步，使用试验方法验证有限元模型的对称性。第二步，调整模型，使其可被观察到失谐现象。因此，我们需要对整体叶盘进行精确的有限元相关性分析，这非常关键。
激光多普勒测振仪，采用非接触式测量方法，能在整个所需带宽内对被测结构的振动特性进行可靠的测试。与传统的接触式传感器，如加速度计相比，激光测振仪无任何附加质量影响，且不会增加物体的阻尼，这是进行精确模态相关性分析的硬性条件。
此外，3D扫描式激光多普勒测振仪还能轻松准确地输出整个带宽范围内的完整三维振型，其完整的数据集可以方便地用于有限元模态相关性分析。
直径为240mm的压缩叶盘由德国斯图加特大学提供，不锈钢材质，这是由德国一家专门制造该类零部件的公司高精度研磨而成。高分辨率的形貌扫描显示其仅有微小的几何偏差，大约为50μm量级。
将叶盘放置在三个小橡胶垫上，以减弱环境振动，同时最小化因支撑带来的影响。使用全自动可伸缩力锤SAM 1来提供激励，最高频率可达20kHz。
本次试验采用的是德国Polytec公司的PSV-500-3D Xtra三维扫描式激光测振仪，测量激光为红外不可见激光，具有极高的光学灵敏度和抗干扰性，无需对被测表面进行复杂的表面处理即可高精度完成测试。激光功率3mw，人眼安全。
结果
图3为测得的传递函数谱图(FRF)，对所有点进行了平均。图2为整体叶盘的部分振型。图4显示的是具有周期性对称的叶盘，原本应成对出现的频率发生频率分离现象（这是非常重要的一个参数），提示出现极小失谐现象。
为了进一步与FE进行分析和比较，将数据导出为通用文件格式，并使用模态分析软件包PolyWave进行模态参数提取。
将测量的第一模态族振型与完全对称的有限元模型进行比对。表1给出了测量和仿真得到的频率、频率差百分比，以及测量得到的阻尼比。
测量结果显示，第一模态族里所有叶片具有相同的一阶弯曲模态振型。频率一致性高，表明失谐很小。然而，从第二模态族(0.6~3Hz，中心频率约为1~2kHz)的轻微频率分离现象可以得出存在叶盘失谐。这一结论可通过将测得的模态振型与从有限元仿真模态振型的MAC值分析图来进一步验证（如图5所示）。
通常，MAC值越接近1则表示模态振型相似度越高，反之，数值越小则表示偏差越大。实验数据表明，低阶模态具有很好的相关性，而一些高阶模态的MAC值较低。更深入的研究表明（参阅参考资料），这些模态振型的偏差可以很好地通过细微的几何误差来解释，由于几何外形的误差破坏了模态振型的对称性，导致少数叶片相比其他叶片的局部振动幅值变大。
结论和展望
3D扫描式激光测振技术是获取如整体叶盘等复杂结构的真实振动特性的理想手段。Polytec自主研发的PolyWave软件帮助提取模态参数，与FE进行精确相关性分析。
实测结果与仿真结果基本一致，能清晰地检测出所有相关模态，且在频率上有很好的一致性。通过详细分析数据，可发现叶盘因加工误差有轻微失谐，这一点无法通过CAD下的FE模型获知。这种失谐效应可以通过第二模态族的频率分离和高阶模态振型的差异来得知，表现出振动能量的局部化。
测试结果很有价值，提醒用户在进行有限元模型优化升级时需将失谐考虑在内，因为这对于预测实际运行的叶盘的高周疲劳非常关键。
目前，我们仅分析了叶盘的第一模态族的振型，但由于已获取高达10kHz的数据，我们完全可以相同精度研究更高模态族的振型。
References
Patric Buchwald et al.: Paper presented at the APVC conference in Sydney, Australia, Nov. 2019.
