基于多個(gè)MFC 激勵(lì)器的復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片模態(tài)測(cè)試

黃丹丹，陳 勇，2

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191）

0 引言

寬弦風(fēng)扇葉片廣泛用于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是發(fā)動(dòng)機(jī)最前端的作功部件，提供發(fā)動(dòng)機(jī)80%的推力。與傳統(tǒng)鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片相比，復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片具有質(zhì)量輕、噪聲低，抗顫振、效率高、抗外物損傷能力較強(qiáng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，代表了風(fēng)扇葉片的發(fā)展方向。風(fēng)扇葉片在工作中會(huì)受到來(lái)自進(jìn)氣口的外界激勵(lì)和風(fēng)扇級(jí)內(nèi)部流場(chǎng)激勵(lì)，從而引發(fā)葉片振動(dòng)。產(chǎn)生的激勵(lì)根據(jù)來(lái)源可大致分為機(jī)械激勵(lì)和氣流激勵(lì)。機(jī)械激勵(lì)主要來(lái)自其他機(jī)械部件（如軸系、風(fēng)扇盤等），振動(dòng)通過(guò)機(jī)械連接傳遞到葉片根部，高速旋轉(zhuǎn)的葉片與機(jī)匣由于葉頂間隙過(guò)小發(fā)生碰摩，從而引發(fā)葉片振動(dòng)。氣流激勵(lì)的來(lái)源較機(jī)械激勵(lì)的更加廣泛，主要包括葉頂泄漏流、旋轉(zhuǎn)失速和葉片表面流動(dòng)分離等[1]。風(fēng)扇葉片的振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性有很大影響，尤其是葉片共振，易導(dǎo)致葉片疲勞失效。

王仲林等[2]通過(guò)敲擊法和基于振動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)寬帶激勵(lì)法研究了寬弦風(fēng)扇葉片的振動(dòng)特性；付曦等[3]采用敲擊法進(jìn)行葉片的模態(tài)測(cè)試；Teter 等[4]和Yang 等[5]通過(guò)多點(diǎn)掃描式激光測(cè)振儀分別對(duì)復(fù)合材料葉片和旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試。以上研究采用傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法討論了葉片的振動(dòng)性能，但對(duì)新型激勵(lì)方式的研究仍有不足。航空航天等高科技產(chǎn)業(yè)對(duì)傳統(tǒng)激勵(lì)器提出了更苛刻的要求，諸如噪聲、精度、體積及質(zhì)量等[6]，因此，探索其他形式的新型激勵(lì)器具有重要意義[7-9]。壓電激勵(lì)器是1 種新型激勵(lì)器，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過(guò)一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)將機(jī)械能輸出激勵(lì)載荷，具有輸出頻率響應(yīng)高、動(dòng)態(tài)反應(yīng)快、承載大、性能穩(wěn)定、不發(fā)熱、不產(chǎn)生噪聲及受外力干擾小等優(yōu)點(diǎn)。壓電纖維復(fù)合材料（Macro Fiber Composite，MFC）是1 種新型壓電復(fù)合材料，不僅具有更好的耐久性和柔韌性，還可以利用更強(qiáng)的壓電應(yīng)變常數(shù)d33 來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)電耦合[7-9]。MFC 可用于控制振動(dòng)（激振或減振）、控制結(jié)構(gòu)變形、收集能量及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控等[7]。Belz 等[10]利用多個(gè)MFC 激勵(lì)器模擬壓氣機(jī)葉片受到的激勵(lì)，在靠近葉根處布置MFC，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明MFC 可以激勵(lì)葉片振動(dòng)；Teter 等[4]對(duì)具有3 個(gè)主動(dòng)復(fù)合葉片的轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)?zāi)B(tài)試驗(yàn)，得到系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合；Gawryluk 等[11]研究了MFC 激勵(lì)器諧波激勵(lì)對(duì)恒角速度旋轉(zhuǎn)的復(fù)合材料葉片轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性的影響，進(jìn)行數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，二者結(jié)果吻合較好。上述研究利用MFC 激勵(lì)葉片振動(dòng)，分析葉片的振動(dòng)特性，對(duì)MFC 激勵(lì)器復(fù)雜激勵(lì)下葉片的振動(dòng)性能研究有所不足。

本文基于MFC 激勵(lì)器進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)MFC激勵(lì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速正弦掃頻電壓激勵(lì)，采用MFC 單獨(dú)激勵(lì)和組合激勵(lì)，利用掃描式激光測(cè)振儀測(cè)量葉片的響應(yīng)，分析復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在不同MFC 激勵(lì)器激勵(lì)方式下不同響應(yīng)特性。

1 葉片有限元模型

以朱啟晨等[12]設(shè)計(jì)的某型復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片為研究對(duì)象，該葉片的實(shí)體單元有限元模型[13]如圖1所示。在ANSYS-APDL 有限元軟件中仿真，單元類型為8 節(jié)點(diǎn)的6 面體單元solid185，共80294 個(gè)實(shí)體單元，81465 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

不考慮由于葉片旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，在ANSYS 中進(jìn)行自由狀態(tài)條件下復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的模態(tài)分析，設(shè)置邊界條件為葉片榫頭受壓面約束所有自由度，在葉根端部施加軸向約束，在葉片榫頭底部施加豎直向上的約束[12]。復(fù)合材料葉片與風(fēng)扇盤通過(guò)燕尾槽連接，為了更加接近試驗(yàn)約束，本文將邊界條件簡(jiǎn)化為在葉片榫頭受壓面施加垂直受壓面方向的約束，在葉根端部施加軸向約束，在葉片榫頭底部施豎直向上約束，如圖2 所示。

圖1 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片有限元模型

圖2 有限元仿真邊界條件

2 MFC 模態(tài)測(cè)試

2.1 MFC 激振器

1996 年，美國(guó)航空航天局（NASA）Langley 研究中心研制出了1 種新型壓電復(fù)合材料—壓電纖維復(fù)合材料（MFC）。MFC 激勵(lì)器[14]（如圖3 所示）是在聚酰亞胺薄膜中嵌入薄PZT（Lead Zirconate-Titanate ceramics）纖維制作而成的，上、下表面覆蓋有指間交叉模式的電極，MFC 的分層結(jié)構(gòu)[15]如圖4 所示。圖中，坐標(biāo)軸1 為MFC 厚度方向，坐標(biāo)軸2 為銅電極方向，坐標(biāo)軸3 為壓電纖維的極化方向。

圖3 MFC 激勵(lì)器[14]

圖4 MFC 的分層結(jié)構(gòu)[15]

與傳統(tǒng)壓電陶瓷相比，樹(shù)脂基的保護(hù)作用使得MFC 很大程度上克服了純壓電陶瓷在強(qiáng)度和脆性方面的缺點(diǎn)，具有較好的柔韌性。由于MFC 采用矩形截面的壓電纖和指尖交叉電極，大大提高了其機(jī)電耦合系數(shù)。由于MFC 具有頻率響應(yīng)高、動(dòng)態(tài)反應(yīng)快、承載大、性能穩(wěn)定、不發(fā)熱、不產(chǎn)生噪聲及受外力干擾小、柔韌性好、耐高溫、變形大以及機(jī)電耦合系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用于控制振動(dòng)（激振或減振）、控制結(jié)構(gòu)的變形、收集能量和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控等[4]。本文利用MFC 激勵(lì)器激勵(lì)風(fēng)扇葉片，進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，研究其振動(dòng)特性。

2.2 MFC 布置

本文基于MFC 激勵(lì)法的葉片模態(tài)測(cè)試以復(fù)合材料風(fēng)扇葉片為研究對(duì)象，采用Smart Material 公司生產(chǎn)的M8557-P1 激勵(lì)器，其技術(shù)指標(biāo)列見(jiàn)表1[14]。

表1 M8557-P1 激勵(lì)器的技術(shù)指標(biāo)[14]

在實(shí)際測(cè)量中，MFC 激勵(lì)法和傳統(tǒng)力錘敲擊法選取激勵(lì)位置略有不同。力錘敲擊葉片振動(dòng)，激勵(lì)點(diǎn)（敲擊點(diǎn)）的選擇依據(jù)需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6]。MFC 在葉片位置處的某階模態(tài)MFC 極化方向的應(yīng)變足夠大，可以激勵(lì)出該階模態(tài)。為了研究葉片響應(yīng)特性，本文對(duì)葉片的不同位置布置了3 個(gè)MFC，進(jìn)行不同的MFC 激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量每個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。測(cè)量結(jié)點(diǎn)在葉片上的位置如圖5 所示。MFC No 1 和No 2 纖維極化方向與葉片葉高方向水平，No 3 纖維極化方向與葉片葉高方向成90毅夾角。寬弦風(fēng)扇葉片尺寸大，為了研究響應(yīng)特性，根據(jù)各階模態(tài)陣型圖選取響應(yīng)比較大的測(cè)點(diǎn)。

圖5 MFC 測(cè)量點(diǎn)分布

2.3 試驗(yàn)裝置

復(fù)合材料葉片的模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6 所示。該系統(tǒng)由夾持、激勵(lì)和測(cè)量系統(tǒng)3 部分組成。夾持系統(tǒng)由夾具和基座組成；MFC 激勵(lì)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、激振器（MFC）和恒電壓功率放大器組成，其作用是產(chǎn)生具有一定能量的和頻率可調(diào)的激振力，激勵(lì)葉片使之發(fā)生振動(dòng)；測(cè)量系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量掃描式激光測(cè)振儀，測(cè)量復(fù)合材料葉片測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)。

圖6 MFC 激勵(lì)系統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)裝置

帶有MFC 激勵(lì)器的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片被夾持在振動(dòng)隔振臺(tái)上，MFC 粘貼在葉片上進(jìn)行激勵(lì)。恒電壓功率放大器和信號(hào)發(fā)生器提供了MFC 激勵(lì)器的開(kāi)環(huán)控制（沒(méi)有反饋）電壓變化。測(cè)量系統(tǒng)可以監(jiān)控梁的振動(dòng)，測(cè)量采用Polytech 公司多點(diǎn)掃描測(cè)振儀PSV-500-H[15]，根據(jù)復(fù)合材料葉片的幾何尺寸，布置四邊形結(jié)點(diǎn)掃描網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度可以單獨(dú)測(cè)量。逐點(diǎn)掃描方式可以得到各點(diǎn)頻域響應(yīng)幅值和相位，繪制出振型圖。信號(hào)同步采用PC 端采集信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓信號(hào)，作為PSV-500-H 多點(diǎn)掃描測(cè)振儀的觸發(fā)信號(hào)。在PC 端接收測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，記錄、保存和分析測(cè)量數(shù)據(jù)。信號(hào)發(fā)生器采用北京普源公司生產(chǎn)的DG4062 信號(hào)發(fā)生器，等性能雙通道信號(hào)輸出，采樣率為500 MSa/s，可輸出正弦波、方波、噪聲等波形，也可輸出線性、對(duì)數(shù)和步進(jìn)多種掃頻模式，可提供MFC 在振動(dòng)測(cè)試中的激勵(lì)。恒電壓功率放大器選用Trek 公司的PA05029 恒電壓放大器，電壓輸出范圍為-500～1500 V，電壓放大200 V/V（外部電壓源），可激勵(lì)多種P1 型MFC 激勵(lì)器。

3 振動(dòng)特性分析

3.1 葉片固有頻率及振型分析

本文采用MFC 激振器進(jìn)行快速正弦掃頻信號(hào)激勵(lì)葉片開(kāi)展模態(tài)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行傳統(tǒng)敲擊法試驗(yàn)，敲擊復(fù)合材料葉片葉根部位，與MFC 激勵(lì)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)測(cè)量葉尖測(cè)點(diǎn)Node 127 速度響應(yīng)如圖7 所示，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，仿真和試驗(yàn)得到的復(fù)合材料寬弦葉片的前5 階模態(tài)模態(tài)固有頻率的偏差均在4%以內(nèi)，說(shuō)明MFC 激振器布置于復(fù)合材料葉片上，MFC 激振器附加質(zhì)量很小，對(duì)葉片本身固有頻率影響可以忽略不計(jì)。而傳統(tǒng)敲擊法需要經(jīng)驗(yàn)多次試驗(yàn)選擇敲擊點(diǎn)，而且要避免在試驗(yàn)過(guò)程中連擊，而MFC 激勵(lì)法操作簡(jiǎn)單方便、重復(fù)性好、信噪比高。

圖7 葉尖測(cè)點(diǎn)Node 127 頻域響應(yīng)

圖8 復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片前5 階有限元仿真振型和測(cè)量振型

第1～5 階的模態(tài)振型如圖8 所示。從圖中可見(jiàn)，各階次仿真和測(cè)試的振型相符合，準(zhǔn)確地捕捉到所有的彎扭振動(dòng)特征。通過(guò)葉片的總位移振型圖可知復(fù)合材料葉片前6 階模態(tài)振型中，Mode 1、Mode 2、Mode 4為葉片的前3 階彎曲模態(tài)，由于葉片前尾緣的剛度分布不同，橫向節(jié)線在前緣處向下傾斜，不考慮根部夾持位置的節(jié)線，節(jié)線數(shù)依次為0、1、2，葉片主要呈扭轉(zhuǎn)模態(tài)；Mode 3 和Mode 5 為葉片的前2 節(jié)扭轉(zhuǎn)模態(tài)，節(jié)線為豎直方向，沿葉高方向呈S 型分布，特別是Mode 3 較為明顯，豎直節(jié)線數(shù)依次為1 和2，葉片主要呈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)狀態(tài)；Mode 6 為彎曲和扭轉(zhuǎn)的疊加模態(tài)。

3.2 MFC 單獨(dú)激勵(lì)

復(fù)合材料葉片上關(guān)注響應(yīng)點(diǎn)在不同的MFC 單獨(dú)激勵(lì)下的頻域響應(yīng)如圖9 所示，激勵(lì)信號(hào)是快速線性正弦掃頻信號(hào)。在Mode 3 模態(tài)下，復(fù)合材料葉片MFC 01/02/03 覆蓋位置處，MFC 纖維極化方向的應(yīng)變?nèi)鐖D10 所示。從圖中可見(jiàn)，所有測(cè)點(diǎn)的前5 階固有頻率，比較3 個(gè)不同MFC 激勵(lì)出的葉片模態(tài)：Mode 3是1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，比較不同MFC 相同測(cè)點(diǎn)激勵(lì)，MFC 02 激勵(lì)和葉片Mode 3 的響應(yīng)均不明顯，峰值很小，這是由于MFC No 2 覆蓋位置的Mode 3 纖維方向的應(yīng)變很小，MFC No 2 不能明顯地激勵(lì)出Mode 3 扭轉(zhuǎn)模態(tài)。MFC 01 和03 激勵(lì)，葉片Mode 3 響應(yīng)較為明顯，相比較MFC 01，MFC 03 激勵(lì)出的葉片響應(yīng)略大于MFC 01 激勵(lì)出的。這是由于MFC 01 覆蓋位置纖維方向應(yīng)變（strain y）比MFC 03 覆蓋位置纖維方向應(yīng)變（strain z）略小一些。

由復(fù)合材料葉片不同MFC 激勵(lì)下不同測(cè)點(diǎn)的頻域響應(yīng)的幅值可知，在MFC 01 激勵(lì)下，葉片振動(dòng)以低階彎曲和1 階扭轉(zhuǎn)為主；在MFC 02 激勵(lì)下，葉片振動(dòng)以低階彎曲為主；在MFC 03 激勵(lì)下，葉片振動(dòng)以1 階扭轉(zhuǎn)為主。因此，當(dāng)MFC 纖維極化方向布置的位置沿著葉片葉高方向，葉片振動(dòng)以低階扭轉(zhuǎn)為主；如果想激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)，需要將MFC 布置于扭轉(zhuǎn)模態(tài)的纖維極化方向應(yīng)變較大的位置。當(dāng)MFC 纖維極化方向布置沿著葉片的弦向方向，葉片振動(dòng)以低階扭轉(zhuǎn)為主。

圖9 MFC 快速正弦掃頻信號(hào)激勵(lì)

圖10 在Mode 3 模態(tài)下復(fù)合材料葉片上MFC纖維極化方向的應(yīng)變

根據(jù)不同MFC 激勵(lì)和不同點(diǎn)測(cè)量結(jié)果可知，不同的測(cè)量點(diǎn)對(duì)不同階次的響應(yīng)有很大差異：Node 131和Node 144 位于前尾緣，所以扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的Mode 3 響應(yīng)明顯，當(dāng)時(shí)Node 131 靠近Mode 4 的節(jié)線，Node 131 測(cè)點(diǎn)的Mode 4 響應(yīng)很低。Node 127 位于葉尖位置，因此在所有的測(cè)點(diǎn)中，Node 127 的Mode1 響應(yīng)最高。測(cè)點(diǎn)位置從葉頂?shù)饺~根變化，Mode1 的響應(yīng)越來(lái)越低。觀察同一測(cè)點(diǎn)Node 127，采用不同的MFC 進(jìn)行激勵(lì)，都可以明顯激勵(lì)出Mode 1 和Mode 2。MFC 01激勵(lì)，葉片的Mode1 和Mode 2 響應(yīng)較大；MFC 03 激勵(lì)，葉片的Mode 1 和Mode 2 響應(yīng)較小。這是不同的MFC 覆蓋葉片位置纖維方向的應(yīng)變相對(duì)大小不同，Mode 1、2 的2 階彎曲模態(tài)，MFC No 1、2 覆蓋位置的strain y 明顯大于MFC No 3 覆蓋位置的strain z。在Mode 3 扭轉(zhuǎn)模態(tài)下，具有1 條豎直的節(jié)線，最大響應(yīng)點(diǎn)出現(xiàn)在葉尖位置，在葉尖測(cè)點(diǎn)Node 127 測(cè)得的響應(yīng)明顯大于其他測(cè)點(diǎn)的。Mode 4 是3 階彎曲，最大的響應(yīng)點(diǎn)位于葉尖處，在測(cè)點(diǎn)Node 127，Mode 4 的響應(yīng)相比與其他測(cè)點(diǎn)明顯提高，測(cè)點(diǎn)Node 3 位于Mode 4（3 階彎曲）的節(jié)線上，因此測(cè)點(diǎn)Mode 3 不能觀察到Mode 4 的響應(yīng)。Mode 5 是條帶扭轉(zhuǎn)模態(tài)，最大響應(yīng)點(diǎn)位于葉高和尾緣2/3 葉高處，相比于其他測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)Node 127 和Node 3 處可以明顯測(cè)得Mode 5 的響應(yīng)。

MFC 激勵(lì)葉片振動(dòng)，葉片響應(yīng)和MFC 覆蓋位置的模態(tài)纖維方向的應(yīng)變相對(duì)大小、MFC 纖維方向和測(cè)點(diǎn)選擇有關(guān)。MFC 通過(guò)傳遞應(yīng)變能激勵(lì)葉片振動(dòng)，為了盡可能激勵(lì)多且明顯地激勵(lì)出葉片的模態(tài)，需要將MFC 布置于葉片模態(tài)纖維方向應(yīng)變較大的位置。MFC 的纖維方向沿著葉片葉高方向，葉片振動(dòng)響應(yīng)以低階扭轉(zhuǎn)為主；如果想激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)，需要將MFC 布置于扭轉(zhuǎn)模態(tài)纖維方向應(yīng)變較大的位置。MFC 纖維方向沿著葉片弦向方向，葉片振動(dòng)響應(yīng)以低階扭轉(zhuǎn)為主。對(duì)于寬弦復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，MFC 布置的位置靠近葉片1/2 葉高處，可以激勵(lì)出葉片的前5 階模態(tài)。測(cè)點(diǎn)的選擇，對(duì)于低階彎曲模態(tài)（Mode 1 和Mode 2），葉尖的測(cè)點(diǎn)可以得到最大的響應(yīng)值；當(dāng)測(cè)點(diǎn)靠近1/2 葉高前尾緣時(shí)，低階彎曲模態(tài)響應(yīng)很小，高階彎曲和彎扭組合模態(tài)響應(yīng)較大。

3.3 MFC 組合激勵(lì)

不同位置的MFC 單獨(dú)激勵(lì)葉片，葉片的響應(yīng)也不同，例如MFC 02 激勵(lì)葉片，Mode 3 的響應(yīng)不明顯；MFC 03 激勵(lì)葉片，Mode 3 的響應(yīng)明顯。因此本文考慮用不同MFC 組合激勵(lì)葉片，研究MFC 組合激勵(lì)下的葉片響應(yīng)特性。試驗(yàn)設(shè)定信號(hào)發(fā)生器1 個(gè)通道發(fā)出相同電壓幅值的快速正弦掃頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)恒電壓功率放大器輸出給2 個(gè)MFC 激勵(lì)器（MFC 01 和MFC 02并聯(lián)），2 個(gè)MFC 同時(shí)激勵(lì)復(fù)合材料葉片，測(cè)量葉片速度響應(yīng)。

MFC 單獨(dú)激勵(lì)和組合激勵(lì)下的葉片固有頻率見(jiàn)表3。從表中可見(jiàn)，MFC 單獨(dú)和組合激勵(lì)葉片的固有頻率最大相對(duì)誤差為1.83%，在可接受的范圍內(nèi)。因此，MFC 單獨(dú)和組合激勵(lì)都可以準(zhǔn)確地得到葉片的固有頻率。最大相對(duì)誤差=（各階模態(tài)下測(cè)量的最大固有頻率差值/各階模態(tài)下測(cè)量的最小固有頻率）×100%。

表3 MFC 組合和單獨(dú)激勵(lì)下葉片固有頻率偏差

MFC 單獨(dú)激勵(lì)和組合激勵(lì)葉片，葉尖測(cè)點(diǎn)Node 127 頻域響應(yīng)如圖11 所示。MFC 疊加激勵(lì)和單獨(dú)激勵(lì)，葉尖測(cè)點(diǎn)Node 127響應(yīng)幅值大小見(jiàn)表4。從表中可見(jiàn)，MFC 01 和MFC 02 布置的纖維極化相同，皆沿葉高方向。對(duì)于彎曲模態(tài)（Mode 1、Mode 2 和Mode 4），MFC 01 和MFC 02 單獨(dú)激勵(lì)的幅值差異很小。在彎曲模態(tài)下，MFC 01和02 組合激勵(lì)的響應(yīng)幅值比MFC 01 或MFC 02 激勵(lì)的響應(yīng)幅值明顯增大，是MFC 01 單獨(dú)振動(dòng)的1.66、1.81 和1.83 倍，且不是2 個(gè)MFC 單獨(dú)激勵(lì)幅值的線性疊加；對(duì)于扭轉(zhuǎn)模態(tài)（Mode 3、Mode 5），MFC 01 單獨(dú)激勵(lì)的響應(yīng)幅值明顯大于MFC 02 單獨(dú)激勵(lì)的幅值（55.00、3.74 倍）。在扭轉(zhuǎn)模態(tài)（Mode 3、Mode 5）下，MFC 01 和MFC 02 的組合激勵(lì)響應(yīng)幅值分別是MFC 02 單獨(dú)激勵(lì)的6.40、1.17 倍，是MFC 01 單獨(dú)激勵(lì)的0.12、0.31 倍，明顯大于MFC 02 單獨(dú)激勵(lì)的響應(yīng)，但小于MFC 01 單獨(dú)激勵(lì)的響應(yīng)。MFC 01 和MFC 03 組合激勵(lì)葉片，MFC 01 、03 纖維方向分別沿葉高、弦向方向，相差90°。相同電壓激勵(lì)，MFC 01 和MFC 03 都能激勵(lì)出全部的前5 階固有頻率。葉片前5 階模態(tài)的響應(yīng)，MFC 01 激勵(lì)的皆大于MFC 03 激勵(lì)的。MFC 01、03 疊加激勵(lì)的前5 階模態(tài)響應(yīng)值大于MFC 03 單獨(dú)激勵(lì)的幅值，但是小于MFC 01 單獨(dú)激勵(lì)的幅值。

圖11 Node 127MFC 單獨(dú)激勵(lì)和組合激勵(lì)下葉片的頻域響應(yīng)

MFC 02 和MFC 03 組合激勵(lì)葉片，MFC 02 、03纖維方向分別沿葉高、弦向方向，也相差90°。相同電壓激勵(lì)，彎曲模態(tài)的響應(yīng)峰值，MFC 02 單獨(dú)激勵(lì)的明顯大于MFC 03 單獨(dú)激勵(lì)的，扭轉(zhuǎn)模態(tài)的響應(yīng)峰值，MFC 02 單獨(dú)激勵(lì)比MFC 03 單獨(dú)激勵(lì)的略小。MFC 02、03 疊加激勵(lì)，彎曲模態(tài)和1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，疊加模態(tài)響應(yīng)值大于MFC 03 單獨(dú)激勵(lì)的幅值，但是小于MFC 01 單獨(dú)激勵(lì)的幅值。

表4 疊加激勵(lì)和單獨(dú)激勵(lì)，葉尖測(cè)點(diǎn)Node 127 響應(yīng)幅值大小

2 個(gè)MFC 組合激勵(lì)，振幅的疊加響應(yīng)幅值比MFC 單獨(dú)激勵(lì)幅值的變化，與MFC 布置的纖維方向、模態(tài)階次及各模態(tài)階次單獨(dú)激勵(lì)幅值的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)2 個(gè)MFC 布置的纖維極化方向相同時(shí)，彎曲模態(tài)的疊加振幅比單獨(dú)MFC 激勵(lì)增加；扭轉(zhuǎn)模態(tài)的疊加振幅比較小的單獨(dú)激勵(lì)的幅值增加，但是小于較大的單獨(dú)激勵(lì)的幅值。當(dāng)2 個(gè)MFC 布置的纖維極化方向不同時(shí)，疊加振幅比較小的單獨(dú)激勵(lì)的幅值增加，但是小于較大的單獨(dú)激勵(lì)的幅值。

由上述的分析可知，MFC 激勵(lì)器激勵(lì)葉片振動(dòng)，組合激勵(lì)葉片的響應(yīng)效果不一定優(yōu)于MFC 單獨(dú)激勵(lì)。選用MFC 組合激勵(lì)，MFC 在葉片上布置位置與各階模態(tài)MFC 纖維方向的應(yīng)變相關(guān)，盡可能布置在葉片纖維方向應(yīng)變都較大的位置。因此，如果1 個(gè)MFC 激勵(lì)器不能有效地激勵(lì)出全部的模態(tài)，可以選用多個(gè)MFC 進(jìn)行組合激勵(lì)，但應(yīng)該優(yōu)先選擇纖維方向一致的MFC 組合激勵(lì)。

4 結(jié)論

本文建立了MFC 激勵(lì)系統(tǒng)，在復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片3 個(gè)不同位置上布置3 個(gè)MFC 激勵(lì)器進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，與仿真值和傳統(tǒng)激勵(lì)敲擊法比較葉片固有頻率和振型，分析復(fù)合材料葉片在MFC 激勵(lì)下的響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)仿真計(jì)算和MFC 激勵(lì)法模態(tài)測(cè)試結(jié)果，前5 階固有頻率和對(duì)應(yīng)振型對(duì)比結(jié)果吻合得很好，表明本文采用的MFC 模態(tài)測(cè)試方法和仿真計(jì)算具有較高的準(zhǔn)確性。

（2）根據(jù)不同位置MFC 激勵(lì)葉片振動(dòng)，測(cè)量葉片相同測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)速度幅值大小，為了盡可能激勵(lì)多且明顯地激勵(lì)出葉片的模態(tài)，應(yīng)將MFC 布置于葉片各階模態(tài)下的纖維極化方向應(yīng)變較大的位置。對(duì)于寬弦復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，MFC 布置的位置靠近葉片1/2 葉高處，可以激勵(lì)出葉片的前5 階模態(tài)。

（3）風(fēng)扇葉片在不同位置MFC 激勵(lì)下的響應(yīng)特性顯示，不同位置MFC 的激勵(lì)，各階模態(tài)響應(yīng)有較大差異。當(dāng)MFC 纖維方向布置的位置沿著葉高方向，葉片振動(dòng)以低階扭轉(zhuǎn)為主；如果想激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)，需要將MFC 布置于扭轉(zhuǎn)模態(tài)的纖維方向應(yīng)變較大的位置。當(dāng)MFC 纖維方向布置沿著葉片的弦向方向，葉片振動(dòng)以低階扭轉(zhuǎn)為主。

（4）2 個(gè)MFC 組合激勵(lì)，振幅的疊加響應(yīng)幅值比MFC 單獨(dú)激勵(lì)幅值的變化，與MFC 布置的纖維極化方向、模態(tài)階次及各模態(tài)階次單獨(dú)激勵(lì)幅值的相對(duì)大小有關(guān)。當(dāng)2 個(gè)MFC 布置的纖維極化方向相同，彎曲模態(tài)的疊加振幅比單獨(dú)MFC 激勵(lì)的增加；扭轉(zhuǎn)模態(tài)的疊加振幅比較小的單獨(dú)激勵(lì)的幅值增加，但小于較大的單獨(dú)激勵(lì)的幅值。當(dāng)2 個(gè)MFC 布置的纖維極化方向不同，疊加振幅比較小的單獨(dú)激勵(lì)的幅值增加，但是小于較大的單獨(dú)激勵(lì)的幅值。

因此，采用MFC 激勵(lì)器進(jìn)行模態(tài)測(cè)量，組合激勵(lì)葉片的響應(yīng)效果不一定優(yōu)于MFC 單獨(dú)激勵(lì)，選用MFC 組合激勵(lì)，首先應(yīng)考慮盡可能布置在葉片纖維方向應(yīng)變都較大的位置；如果1 個(gè)MFC 不能激勵(lì)出所有模態(tài)，可以選用MFC 組合激勵(lì)，應(yīng)該優(yōu)先選擇纖維方向一致的MFC 進(jìn)行組合激勵(lì)。

MFC 驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)風(fēng)扇葉片振動(dòng)，風(fēng)扇葉片的響應(yīng)與MFC 覆蓋位置處對(duì)應(yīng)MFC 纖維極化方向的應(yīng)變大小、MFC 纖維方向和測(cè)點(diǎn)選擇有關(guān)。該結(jié)果可用于寬弦風(fēng)扇葉片的MFC 傳感器/激勵(lì)器控制方法進(jìn)一步有效研發(fā)和風(fēng)扇葉片的振動(dòng)特性分析。