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背景简介

数字孪生的定义通常包含三个主要组成部分：对象或系统的模型、特定于对象或系统的演化数据，以及动态更新模型的能力。数字孪生体的开发由经过验证的数字副本提供支持，要创建数字副本，则需要准确了解以数字方式重新创建的零件。使用增材制造（AM）技术制造的复杂部件，由于工艺参数控制、原料可变性和固有材料偏差，使得对其性能的预测成为挑战。同时开发AM部件的数字副本有限元模型（FEM）为了与硬件对应物的单个实例相匹配，需要进一步的研究扩展数字副本模型。

本研究创建了AM涡轮叶片的数字副本，并量化了AM技术引起的变化如何影响FEM的开发。明晰AM偏差如何影响FEM预测是了解数字孪生的关键参数的第一步。研究通过振动叶片测试对副本进行了实验验证。为了应用这些数字副本提高疲劳寿命预测能力，将模型应力图与实验数据进行匹配是验证过程中最关键的步骤。经过验证的模型还可用于尺寸和形状优化，以满足振动和强度要求。

成果介绍

本研究利用由空军研究实验室开发的通用涡轮叶片设计，作为未优化空气动力学的翼型的结构代表。数字副本模型的开发分为三个阶段：收敛性研究、硬件表征和实验验证。

（1）收敛性研究提供了创建初始有限元所需的网格类型和单元尺寸。将标称锻造材料特性应用于简化叶片几何形状（图1）。网格类型和密度的选择基于固有频率和前三种模态相关应力值的收敛性。如图2所示，对于固有频率来说，超过25000个节点，任何一种二次单元类型都有着良好的收敛性。而超过200000个节点，单元类型可以根据用户偏好来选择。

图1 （A）简化的涡轮叶片CAD文件，叶片被缩小为扭转40°的锥形矩形；（B）简化叶片的六边形网格；（C）原始涡轮叶片设计；（D）与涡轮叶片几何体相匹配的最终网格

图2 简化涡轮叶片前三种模态的收敛性研究（A–C：频率收敛性；D–F：应力收敛性）

（2）硬件表征分析了与涡轮叶片打印在同一构建板上的疲劳试样（图3），以调整密度和杨氏模量，将初始FEM修改为数字副本。AM涡轮叶片的结构光扫描获取了“设计”CAD几何结构和最终硬件尺寸之间的变化（图4）。应用测量的材料特性和最终硬件几何图形创建了独特的数字副本，每个副本都链接到单个硬件组件。

图3 疲劳试样几何结构

图4 涡轮叶片独特FEM表面和ATOS（Advanced Topographical Optical measurement System，先进形貌光学测量系统）扫描表面平均值之间的热图

（3）实验验证将打印涡轮叶片的台架试验与其数字副本进行了比较，以量化与硬件特性相关的模型改进。验证过程针对硬件研究了数字副本的最终质量和体积，以验证应用的密度值。固有频率评估量化了材料特性和几何变化对频率预测的影响。最后，通过数字副本的分析与所选位置的应变计数据的对比（图5），证明数字副本生成每个涡轮机叶片独特几何形状的精确应力/应变图的能力。

图5 涡轮叶片上应变计的位置及有限元分析获取得最大应力点

本文通讯作者：Miller D（Department of Aeronautics and Astronautics, Air Force Institute of Technology, 2950 Hobson Way, Wright-Patterson AFB 45433, OH, USA）。

本期小编：费嘉文（整理）

杨逸璠（校对）

程 航（审核）

闵 琳（发布）