數字孿生的定義通常包含三個主要組成部分：對象或系統的模型、特定于對象或系統的演化數據，以及動態更新模型的能力。數字孿生體的開發由經過驗證的數字副本提供支持，要創建數字副本，則需要準確了解以數字方式重新創建的零件。使用增材制造（AM）技術制造的復雜部件，由于工藝參數控制、原料可變性和固有材料偏差，使得對其性能的預測成為挑戰。同時開發AM部件的數字副本有限元模型（FEM）為了與硬件對應物的單個實例相匹配，需要進一步的研究擴展數字副本模型。

　　本研究創建了AM渦輪葉片的數字副本，并量化了AM技術引起的變化如何影響FEM的開發。明晰AM偏差如何影響FEM預測是了解數字孿生的關鍵參數的第一步。研究通過振動葉片測試對副本進行了實驗驗證。為了應用這些數字副本提高疲勞壽命預測能力，將模型應力圖與實驗數據進行匹配是驗證過程中最關鍵的步驟。經過驗證的模型還可用于尺寸和形狀優化，以滿足振動和強度要求。

本研究利用由空軍研究實驗室開發的通用渦輪葉片設計，作為未優化空氣動力學的翼型的結構代表。數字副本模型的開發分為三個階段：收斂性研究、硬件表征和實驗驗證。

（1）收斂性研究提供了創建初始有限元所需的網格類型和單元尺寸。將標稱鍛造材料特性應用于簡化葉片幾何形狀（圖1）。網格類型和密度的選擇基于固有頻率和前三種模態相關應力值的收斂性。如圖2所示，對于固有頻率來說，超過25000個節點，任何一種二次單元類型都有著良好的收斂性。而超過200000個節點，單元類型可以根據用戶偏好來選擇。

（2）硬件表征分析了與渦輪葉片打印在同一構建板上的疲勞試樣（圖3），以調整密度和楊氏模量，將初始FEM修改為數字副本。AM渦輪葉片的結構光掃描獲取了“設計”CAD幾何結構和最終硬件尺寸之間的變化（圖4）。應用測量的材料特性和最終硬件幾何圖形創建了獨特的數字副本，每個副本都鏈接到單個硬件組件。

（3）實驗驗證將打印渦輪葉片的臺架試驗與其數字副本進行了比較，以量化與硬件特性相關的模型改進。驗證過程針對硬件研究了數字副本的最終質量和體積，以驗證應用的密度值。固有頻率評估量化了材料特性和幾何變化對頻率預測的影響。最后，通過數字副本的分析與所選位置的應變計數據的對比（圖5），證明數字副本生成每個渦輪機葉片獨特幾何形狀的精確應力/應變圖的能力。