硬涂层-薄板的阻尼特性、非线性振动与减振优化设计

• 作者: 杨铮鑫 翟敬宇 陈玉刚 韩清凯
• 来源期刊: 数字制造科学
• 关键词: 硬涂层-薄板 非线性振动 阻尼减振 阻尼减振优化设计 硬涂层材料力学参数辨识 各向同性弹性材料 各向异性弹性材料 减振有效性 非线性弹性复合层板 涂层-薄板复合结构有限元模型 硬涂层-薄板非线性动力学方程 基于Reuss模型的复合结构力学特性计算模型
• 年，卷（期）: 2014,（1）
• 页码范围: 1-80,前插1-前插15
• 页数: 81页
• 字数: 39996字
• 语种: 中文

摘要

在中国国家重点基础发展计划(973计划)项目《高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究》和《硬岩掘进装备的关键技术问题》,中国国家自然科学基金资助项目《薄壁构件硬涂层阻尼减振的多尺度模拟方法与主动设计》和《弹性支承多转子系统的不对中建模与振动分析》,中央高校基本科研业务费专项资金资助项目《硬涂层薄板复合结构的减振机理及振动疲劳特性研究》的共同资助下,针对硬涂层-薄板的阻尼特性、非线性振动与减振优化设计等问题,通过理论推导、模型建构、数值仿真,以及实验测试等方法,建立起由硬涂层材料力学特性参量的辨识以及硬涂层-薄板动力学建模、非线性振动、减振阻尼优化设计等组成的硬涂层-薄板阻尼特性、非线性振动与减振优化设计理论体系,报告学术研究成果.采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)在不锈钢梁上制备了NiCrAlY硬涂层.采用纳米压痕实验,结合压痕过程的有限元模拟,在各向同性弹性材料和各向异性弹性材料等2种本构关系简化假设下,辨识硬涂层力学特性参数(主要是弹性模量).当硬涂层简化为各向同性弹性材料时,以压痕实验加载曲线为依据,通过无量纲分析和有限元模拟,求解出虑及基体效应的NiCrAlY硬涂层材料的弹性模量(E=168.44 GPa).当硬涂层简化为各向异性弹性材料时,通过简化硬涂层本构模型,确定需要求解的独立横观各向同性材料力学特性参数是ET(横向弹性模量)和EL(纵向弹性模量);采用量纲分析和有限元模拟,得到了压痕实验响应过程中的最大加载力、加载曲线指数与硬涂层材料力学特性参数之间的无量纲方程,求解出ET=133.17 GPa和EL=181.21GPa.以涂敷NiCrAlY硬涂层的悬臂钛合金薄板为对象,将辨识得到的各向同性材料参数和各向异性材料参数分别代入,建立涂层-薄板复合结构(CP-Structure)有限元模型,对CP-Structure的固有特性和振动响应进行数值分析.通过对比采用辨识方法得到的各向同性材料参数,以及由横观各向同性材料参数计算得到的固有频率与实验测试结果的差异率,发现采用横观各向同性材料参数的固有频率计算结果在高阶部分(4～8阶)与实验测试得到的结果更为接近(差异均在2％以内).这说明,硬涂层结构高阶振动特性分析,以及硬涂层对高周疲劳抑制研究,应当采用横观各向同性本构关系.针对薄板高阶共振引起的疲劳破坏,基于薄板结构的减振指标(包括固有频率、阻尼比、振动幅值、振动应力、疲劳寿命等),选取悬臂钛板的典型模态,采用数值计算与实验测试对照分析等方法,综合评价硬涂层-薄板的减振效果.结果表明:涂敷NiCrAlY硬涂层后,悬臂钛合金板的前10阶固有频率都出现了上升(上升幅度为1.600％～1.972％);前10阶模态阻尼比大部分有所上升(15.79％～160％),但有例外(第3阶略有降低、第5阶基本不变);容易引起悬臂钛板疲劳破坏的第4阶及第10阶模态,共振状态下振动幅值及振动应力明显下降.将硬涂层-薄板整体等效为特定非线性材料制成的薄板,基于非线性弹性板动力学理论,采用Galerkin法和小参数法,解析了虑及材料非线性的硬涂层-薄板的固有特性.虑及复合材料悬臂板几何关系线性、材料非线性弹性,建立了硬涂层-薄板非线性运动方程(NKEHCTP);采用Galerkin法将NKEHCTP转化为非线性常微分方程,采用小参数法将其展开成一系列线性微分方程进行求解,获得了悬臂硬涂层-薄板非线性振动特性的近似解析解;采用有限元法和实验测试法对近似解析解进行了比较和验证.通过对3个不同尺寸、不同涂层材料的悬臂硬涂层-薄板固有频率的计算,发现非线性解析方法和有限元方法求得的固有频率与实验测试的结果均贴近(最大差异9.47％),线性解析方法求得的固有频率在3阶以后相差比较大(最大差异17.59％).证明采用非线性弹性板理论分析CP-Structure的高阶振动特性,可以得到比较精确的计算解.基于von Karman理论和Reddy三阶剪切变形理论,采用Hamilton变分原理建立起硬涂层-薄板非线性动力学方程(NDEHCTP).利用Galerkin法离散NDEHCTP,得到了硬涂层-薄板横向变形非线性振动方程.分别以悬臂薄板和悬臂硬涂层-薄板为研究对象,对其在横向谐波激励作用下的响应进行实验考察,得到了激振频率的变化对两类结构振动响应的影响.结果表明,悬臂硬涂层-薄板比悬臂薄板的振动行为更加复杂,但是发生混沌运动的区间要比悬臂薄板小;尤其是在高频率范围,硬涂层抑制了混沌运动的发生.以提高复合结构强度和显著提高结构系统阻尼特性为目标,建立了以组合性能指标Etan最大化为核心的涂层阻尼减振优化设计体系,创立了硬涂层-薄板结构阻尼减振优化设计方法;建立了基于Reuss模型的复合结构力学特性计算模型(MMCSBRM),给出了硬涂层阻尼减振的优化设计流程(ODPBRM);以钛合金薄板为例,采用ODPBRM对硬涂层材料的弹性模量、损耗因子和涂敷厚度等参量进行寻优,讨论了它们对于CP-Structure整体动力学特性的贡献.采用有限元法,对硬涂层处理前后的薄板整体的固有特性、模态阻尼比和谐响应等减振指标进行阻尼减振效果对比验证.结果表明,在3 mm钛板上涂敷硬涂层后,其最优设计工况下,发生了频率偏移(增大2.49％～2.70％)、模态阻尼比显著增加(增加13.62％～16.82％)、谐响应共振峰显著降低(降低90％以上)等现象,证实减振优化设计具有明显效果.通过研究,针对硬涂层-薄板的阻尼特性、非线性振动与阻尼优化设计建立起较为系统的分析架构,建立了硬涂层材料力学参数辨识的方法、CP-Structure的有限元模型及非线性动力学方程、硬涂层减振有效性的评估以及硬涂层阻尼减振的优化设计流程,得到了12项科学结论,提出了硬涂层在科学研究与工程应用中需要进一步研究的问题.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	陈玉刚	辽宁省大连市大连理工大学机械工程学院	1	0	0.0	0.0
2	翟敬宇	辽宁省大连市大连理工大学机械工程学院	1	0	0.0	0.0
3	杨铮鑫	辽宁省沈阳市沈阳化工大学能源与动力工程学院	1	0	0.0	0.0
4	韩清凯	辽宁省大连市大连理工大学机械工程学院	1	0	0.0	0.0