当位于田纳西州库克维尔的咨询公司Hamler测试与分析(HTA)。，needed to fatigue test a compressor blade from a gas turbine engine, they used linear dynamic finite element analysis (FEA) software from ALGOR, Inc., Pittsburgh, to simulate the test and determine the optimal setup.
HTA总裁兼首席技术官Jesse Hamler说:“这个程序让我可以进行‘虚拟’测试。“我可以模拟不同的想法和硬件配置，而无需花费时间和金钱为每个设置实际制作硬件，这节省了数周甚至数月的试错测试。”
HTA提供测试、设计和FEA咨询服务。“我们专注于振动测量和实验振动分析工具，”Hamler说，“如丝锥测试，模态分析，操作挠度形状分析和旋转机械分析，特别是发动机振动。使用Algor FEA软件，我只购买了我真正需要的分析能力——即线性静态应力和线性动力学。”
振动台疲劳试验的线性动力学分析
HTA签约对用于发电的固定式燃气涡轮发动机的压气机叶片进行物理疲劳测试。Hamler说:“为了验证客户的分析振动高周疲劳寿命预测方法，需要进行电动激振器测试。“测试的第一阶段包括振动几片叶片，使其在第一弯曲模态失效，第二阶段在第一扭转模态失效。”
哈勒测试与分析(HTA)使用ALGOR FEA软件来分析燃气涡轮发动机的压气机叶片，如图所示。(图片由国家能源技术实验室提供。)
图中显示了激振器正弦扫描时叶尖位移与频率的关系。注意弯曲和扭转模态之间的共振响应的差异。
左图显示的是压气机叶片在激振器测试第二阶段的加权测试设置，其中叶片在第一扭转模式下振动，直到它断裂(右图)。
主要的挑战是找到一个可接受的叶尖位移响应在第一弯曲模态频率为2900赫兹。因为位移与加速度成正比，而与频率的平方成反比，所以即使在共振处有响应增益，目标位移也很难在2900赫兹处实现。用特殊的铸造夹具对叶片端部进行质量加载后，第一弯曲模态频率降低到约850 Hz。实验轨迹和误差确定了正确的质量量。
在第二阶段测试中，找到一种使叶片在第一个扭转模式下失效的方法更具挑战性。由于时间的限制，试错方法是不可行的，因此使用FEA程序来指导测试在正确的方向上。
“很难用线性运动激发角模振型，”Hamler说。“第一阶段负载质量测试设置的初始正弦扫描显示，随着尖端质量的增加，第一扭转模式从8400 Hz下降到1450 Hz。似乎激振器不会在新的‘质量加载’扭转模式下产生良好的响应。”
当激励为线性运动时，在扭转模式下获得的响应增益是最小的。市面上的线性或旋转激振器系统在第一阶段测试设置下，不能提供足够的激励来实现所需的扭转模态响应。然而，有限元分析程序表明，大幅度增加第一扭转模态(零位移的旋转轴)的节点轴或节点线的质量惯性矩可以获得充分的扭转模态响应。
Hamler继续说:“最初的分析预测，通过这样的修改，第一扭转模态发生的频率将低于第一弯曲模态，激振器可以达到适当的加速度，以满足所需的叶片应力水平。”结果还表明，当总质量增加过大时，扭转模态和弯曲模态将发生耦合。因此，增加扭转模态节点轴的质量转动惯量需要在距离节点轴的显著径向距离处施加集中质量，同时减少节点轴附近的质量增加。要设计出能够满足这些要求并与刀片物理连接的硬件将是一项挑战。此外，这种硬件必须是可制造的。”
使用Alibre设计软件，Hamler创建了一个可以连接到
压气机叶片和支撑轴上各有一个重量的扭转模式节点。该组件的尺寸为3.5英寸。宽1.14英寸。深0.86英寸。高。
Hamler在Algor程序中打开CAD模型，建立线性动态分析。在有限元模型中，压气机叶片基部表面是完全约束的。在Z方向施加17g加速度，第一扭转模态和第一弯曲模态固有频率分别为420 Hz和622 Hz。通过实验确定了合适的阻尼量，并将其纳入有限元模型。模态和频率响应分析预测了每个重量的适当大小和位置，这减少了实验次数。
利用Alibre设计软件建立了压气机叶片总成加权CAD模型。压气机叶片用橙色突出显示，重量和夹具用绿色突出显示。
采用固有频率(模态)和频率响应分析模拟激振器疲劳试验。在左边，用颜色编码的轮廓显示了压气机叶片的位移大小。未移位形状的线框说明扭转模式运动。在右边，应力等值线显示了可能开始出现裂缝的区域。特写视图(插入)显示有限元网格在最高应力区域被做得更精细。
最初的测试设置设计使用1.25盎司的后缘重量和0.8盎司的前缘重量。Hamler说:“FEA结果表明，这种设计在激振器上产生了可接受的响应，但每个重量最初被制成1盎司，假设得到的实验响应仍然在FEA预测的附近。”如果需要，摇床
激励水平可以调整以补偿任何差异。然而，1盎司重量的第一次运行表明，响应明显低于FEA预测的初始重量设置，即使是在激振器所能达到的最大激励水平。下一个合乎逻辑的步骤是调优测试设置以复制FEA模型。两块扁钢底座被螺栓固定在后缘重量的顶部，使其总重量为1.25盎司。然后前缘重量被磨碎至0.8盎司。根据FEA分析预测，这种轻微的重量调整提供了激振器响应的昼夜差异。”
实验结果与有限元分析结果吻合较好。“测试是成功的，刀片和预期的一样失败了，”哈姆勒说。“我很惊讶，FEA模型能够如此准确地预测一个结构的真实反应。”
Hamler总结道:“这对于FEA如何大幅减少非标准测试目标所涉及的实验和故障排除是一个有价值的练习。我认为使用FEA至少可以将测试时间缩短一半。”
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