科研成果|中山大学吴志刚团队王兴副教授在AIAA Journal发表飞行器非线性振动全场测量的研究进展

        现代航空航天结构朝着质量更轻，承载能力更强，柔性变形更大等方向发展，对此类轻质薄壁结构开展非线性振动试验，不仅是型号研制过程中的必要环节，也是实验动力学学界不懈追求的目标。此前，美国Sandia国家实验室、美国空军研究实验室、美国威斯康星大学麦迪逊分校等一流研究团队利用了三维数字图像相关系统（3D-DIC system）和连续扫描激光多普勒测振仪（CSLDV）等非接触式测量设备开展了大量卓有成效的尝试。然而，这些测量方案仅能对形状简单且曲率较低的学术型结构（例如板、梁等）开展非线性振动试验，测量带宽较窄、测量结果的频率分辨率也较低。这与航空航天工程上大尺度、复杂形状的轻薄结构的振动测试需求还存在较大差距。

        针对这一问题，中山大学航空航天学院王兴副教授以“Full-Field Measurement of Lightweight Nonlinear Structures Using Three-Dimensional Scanning Laser Doppler Vibrometry”为题，在航空航天领域综合性旗舰刊物AIAA Journal发表长文，系统地阐述了非线性结构的实模态试验理论，提出了一种全新的、面向大尺度复杂飞行器非线性振动全场测量的解决方案，并以航空发动机宽弦风扇叶片的振动试验为范例演示了该方案的可行性与精确度。论文涵盖了模态试验理论-振动测量技术-信号处理方法-典型工程应用的全流程，双栏排版后长达18页。

        如图1所示，该方案采用了一台此前普遍不被学界看好、通常认为极其耗时的三维扫描激光多普勒测振仪（3D SLDV）并搭配了一个多输入单输出的振动控制系统，形成了一套双系统构架的试验方案。为了加快全场测量的速度，文中提出了一个包含三个阶段的高效测试流程：第一个阶段开展低幅值的激励，测量基础线性系统（underlying linear system）的模态参数；第二个阶段首先对非线性模态进行“探测”（detection），再对每一阶非线性模态进行快速共振峰追踪试验获取非线性模态的频率和阻尼比。在此基础上，开展共振驻留试验，在试验中利用3D SLDV对每一个测点仅采集0.32秒的数据，极大的缩短了全场测量的时间。随后利用作者此前提出的多步插值傅里叶分析方法（王兴等. MSSP, 2022）克服了超短时采样带来的能量泄露问题，从而高精度地估计出全场多谐波的振型。在第二阶段还通过非线性频响函数的综合以确认测得的模态参数的精确度。第三阶段对被测结构的动力学特性进行检查，确保没有因“过实验”导致结构产生损伤。

        为了验证该试验方案的可行性，文中开展了大尺度宽弦风扇叶片的非线性振动试验（如图2所示），测量了该叶片随着振幅非线性变化的模态频率、阻尼比以及全场多谐波振型（如图3所示），取得了高质量的试验结果。据作者所知，该非接触式测量结果的精度、频率分辨率、被测对象的复杂度等核心指标达到了工业级要求，形成了服务大尺度飞行器振动测试的能力，也为后续结构的高精度模型修正建立了数据基础。

图 2 大尺度宽弦风扇叶片的非线性振动试验场景及全场测点

        本文的作者包含飞行器振动与测试实验室王兴副教授（第一作者兼通讯作者）、南安普顿大学袁杰助理教授、帝国理工学院Michal Szydlowski博士和帝国理工学院Christoph Schwingshackl教授。该项目得到了罗尔斯·罗伊斯公司与英国工程和自然科学研究委员会联合基金重大项目（EP/R004951/1），深圳市优秀科技人才培养计划（优青项目）（RCYX20210706092137055）、国家自然科学基金（52005522 和12072378）等项目的资助。

文章链接：

http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J064240 

文案 | 飞行器振动与测试实验室

排版 | 敖欣茹

初审 | 张怀钦

审核 | 张锦绣 赵晓江

审核发布 | 罗愈业