动力装备中的薄壳构件硬涂层阻尼减振机理研究

The hard-coating technology is a kind of new and important measure of vibration reduction for the thin-walled components of the power equipments, which is suitable the working condition of power equipments and can suppress the harmful vibration effectively. Due to not understanding of the hard coating damping mechanism, the application of this vibration reduction technology has been restricted severely. In this project, the thin plate and cylindrical shell which can simulate typical thin-walled components of power equipments are chosen as study objects, the damping theory of hard coating and the relative test method will be studied. The study contents include characterizing the nonlinear damping characteristic of hard-coating composite structure, determining the nonlinear constitutive model of hard-coating materials, depicting the nonlinear dynamics mechanism of hard-coating composite structure and analyzing the effect of hard coating on the parameters of vibration characteristic of composite structure, etc. Through this project, the dynamics mechanism of damping vibration reduction used hard coating will be revealed from the point of macro dynamics, the systematic vibration test methodology and the relative analysis method for the hard-coating composite structure will be set up to meet the design needs of vibration reduction. Ultimately, the study of this project will provide the technical support for the application of hard coating damping technology in the thin-walled components of power equipments.

硬涂层阻尼减振是一种适用于动力装备工作环境的、可有效抑制薄壳构件振动超标的一种新兴的减振措施。由于对硬涂层的阻尼减振机理认识不清，严重限制了该项减振措施在薄壳类构件减振设计中的推广应用。本项目，以可有效模拟动力装备中常见薄壳构件的薄板以及圆柱壳为研究对象，围绕薄壳构件硬涂层阻尼减振机理和相关振动测试方法开展研究，具体包括：薄壳构件-硬涂层复合结构非线性阻尼表征、确定硬涂层材料非线性本构模型、用力学模型描述薄壳构件-硬涂层复合结构的非线性动力学机理和分析硬涂层对复合结构振动参数的影响规律等研究内容。通过本项目的研究，将从宏观振动学角度揭示硬涂层阻尼减振的动力学机理以及初步建立起满足薄壳构件硬涂层阻尼减振设计需要的振动测试、复合结构动力学分析的方法体系。最终为硬涂层减振技术在动力装备中的薄壳构件上推广应用提供技术支持。

硬涂层是由金属基、陶瓷基或两者混合制成的涂层材料，将其涂敷在以航空发动机为代表的动力装备的薄壳构件上，可有效抑制薄壳构件过大的振动应力进而避免高周疲劳。为了科学地实施薄壳构件硬涂层阻尼减振，必须明确硬涂层对薄壳构件的阻尼减振机理。本项目，以可有效模拟动力装备中常见薄壳构件的梁、板及圆柱壳为研究对象，围绕薄壳构件硬涂层阻尼减振机理和相关振动测试方法开展研究，取得了以下成果：组建了激光扫描、压电陶瓷激励等专用测试系统，研究提出了频域带宽法、Hilbert变换法识别硬涂层薄壳结构非线性刚度及阻尼的方法；在考虑硬涂层材料中小阻尼及应变依赖性特点的基础上，研究提出修正振动梁法和反推法辨识硬涂层材料力学特性参数的方法；针对硬涂层梁、板、壳结构，利用假设模态和伽辽金截断法，创建了上述硬涂层复合结构线性解析分析模型，并分析了硬涂层参数及厚度对基体结构动力学特性的影响；在将硬涂层材料参数按照多项式模型引入的基础上，分别用有限元及解析法创建了硬涂层梁、板、壳复合结构的非线性振动分析模型，研发出用于求解上述复合结构共振频率和共振响应的高效迭代算法，再现了实验中观测到的硬涂层复合结构软式非线性现象；针对获取硬涂层在薄壳结构件上最佳涂敷位置的需求，研发出修正模态应变能法以及多种群遗传算法解决了硬涂层复合结构阻尼优化设计问题；将硬涂层减振技术扩展应用在层合板以及航空发动机整体叶盘上，并对涂敷硬涂层的上述结构的振动特性进行了初步研究。通过本项目的研究，实现了从宏观振动学角度揭示硬涂层阻尼减振动力学机理的目标，初步建立起满足于硬涂层阻尼减振设计需要的振动测试、涂层材料参数辨识、涂层复合结构动力学分析和硬涂层复合结构阻尼优化等较为完备的技术方法体系。