利用数字图像相关DIC技术测量航空发动机叶片振动模态

航空发动机设计中，旋转叶片在高速运行下易受激励频率影响，导致共振、疲劳甚至失效，故识别叶片特定转速下的模态参数（如固有频率、模态振型），有利于确认安全转速范围，防止叶片失效。

千眼狼工程师们采用数字图像相关DIC技术，实测叶片在预测的三种特定转速下的振动模态，与仿真结果三阶模态固有频率700Hz、1400Hz、3000Hz做对比，验证仿真模型准确性。

实验采用国产先进的超高速数字图像相关DIC系统，由2台千眼狼NEO 25高速摄像机组成，分辨率1280×1024，帧率25,000fps，搭配偏振片，用于捕捉叶片动态图像，并消除反光现象；亚光笔用于在叶片表面制作散斑；RDIC软件，用于分析模态。

1）利用亚光笔制作5mm的均匀散斑。

2）基于仿真模型预测的共振点，设计三种转速3250rpm、6114rpm、6400rpm工况，使用高速摄像机NEO 25，从底部朝上，捕捉69000帧视频图像。

图1

3）使用互功率谱密度CPSD算法进行数据分析，通过计算参考测点与其他测点之间的互功率谱，提取叶片在激励下的频率响应特性，剔除刚体旋转位移，确保模态分析结果准确。

• 一阶模态分析

一阶模态反映叶片基础刚度特性，代表叶片最易发生的低频共振。一阶模态对应3250rpm转速，实测固有频率708Hz，与仿真模型700Hz误差1.1%（图2）。该模态为低频响应，转速相对较低，激励频率易于激发固有频率，帮助工程师们确认安全转速范围，避免3250rpm附近长时间运行，防止叶片疲劳失效。振型特征上，表现为叶片整体弯曲振动，振幅从叶根向叶尖递减，分布均匀（图3）。

图2

图3

• 二阶模态分析

二阶模态用于揭示叶片在中高转速下的复合变形模式，对应6114rpm工况，实测固有频率1425Hz，与仿真模型1400Hz误差1.8%（图4）。振型特征上表现为叶片扭转振动，节点位于叶片中部，振幅分布呈对称扭转模式（图5）。二阶模态测量揭示了中级转速下扭转共振风险，帮助工程师们优化发动机控制系统，避免在高应力区运行，同时扭转振型定位了叶片在扭转载荷下的薄弱点，用于指导叶片几何形状改进。

图4

图5

• 三阶模态分析

三阶模态用于揭示叶片高频共振下产生微裂纹或声疲劳风险。对应6400rpm工况，实测固有频率2951Hz，与仿真模型3000Hz误差1.6%（图6）。振型特征上表现为高频局部振动，但受气流和轴承振动等环境噪声干扰，振型重建不完整，仅在叶片1观测到局部峰值响应，如叶尖和叶片边缘区（图7），振幅小且分布不均匀，提示工程师们加大局部热点失效区域的检测。

图6

图7

• 实验验证：利用超高速数字图像相关DIC系统可获取航空发动机高速旋转叶片在不同转速下的振动模态数据，各阶模态实测固有频率与仿真误差≤1.8%，有效验证了仿真模型，为研究叶片振动特性，设计转速规避策略避免共振提供实验依据。

• 振型特征：一阶模态表现为典型弯曲形态，二阶为扭转形态，三阶为局部振动，振型从全局向局部演变，受环境噪声影响，三阶模态的响应振幅较小，重建振型不完整，后续千眼狼工程师将进化噪声滤波算法，提升高频信噪比。