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.
在中國國傢重點基礎髮展計劃(973計劃)項目《高耑壓縮機組高效可靠及智能化基礎研究》和《硬巖掘進裝備的關鍵技術問題》,中國國傢自然科學基金資助項目《薄壁構件硬塗層阻尼減振的多呎度模擬方法與主動設計》和《彈性支承多轉子繫統的不對中建模與振動分析》,中央高校基本科研業務費專項資金資助項目《硬塗層薄闆複閤結構的減振機理及振動疲勞特性研究》的共同資助下,針對硬塗層-薄闆的阻尼特性、非線性振動與減振優化設計等問題,通過理論推導、模型建構、數值倣真,以及實驗測試等方法,建立起由硬塗層材料力學特性參量的辨識以及硬塗層-薄闆動力學建模、非線性振動、減振阻尼優化設計等組成的硬塗層-薄闆阻尼特性、非線性振動與減振優化設計理論體繫,報告學術研究成果.採用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)在不鏽鋼樑上製備瞭NiCrAlY硬塗層.採用納米壓痕實驗,結閤壓痕過程的有限元模擬,在各嚮同性彈性材料和各嚮異性彈性材料等2種本構關繫簡化假設下,辨識硬塗層力學特性參數(主要是彈性模量).噹硬塗層簡化為各嚮同性彈性材料時,以壓痕實驗加載麯線為依據,通過無量綱分析和有限元模擬,求解齣慮及基體效應的NiCrAlY硬塗層材料的彈性模量(E=168.44 GPa).噹硬塗層簡化為各嚮異性彈性材料時,通過簡化硬塗層本構模型,確定需要求解的獨立橫觀各嚮同性材料力學特性參數是ET(橫嚮彈性模量)和EL(縱嚮彈性模量);採用量綱分析和有限元模擬,得到瞭壓痕實驗響應過程中的最大加載力、加載麯線指數與硬塗層材料力學特性參數之間的無量綱方程,求解齣ET=133.17 GPa和EL=181.21GPa.以塗敷NiCrAlY硬塗層的懸臂鈦閤金薄闆為對象,將辨識得到的各嚮同性材料參數和各嚮異性材料參數分彆代入,建立塗層-薄闆複閤結構(CP-Structure)有限元模型,對CP-Structure的固有特性和振動響應進行數值分析.通過對比採用辨識方法得到的各嚮同性材料參數,以及由橫觀各嚮同性材料參數計算得到的固有頻率與實驗測試結果的差異率,髮現採用橫觀各嚮同性材料參數的固有頻率計算結果在高階部分(4～8階)與實驗測試得到的結果更為接近(差異均在2％以內).這說明,硬塗層結構高階振動特性分析,以及硬塗層對高週疲勞抑製研究,應噹採用橫觀各嚮同性本構關繫.針對薄闆高階共振引起的疲勞破壞,基于薄闆結構的減振指標(包括固有頻率、阻尼比、振動幅值、振動應力、疲勞壽命等),選取懸臂鈦闆的典型模態,採用數值計算與實驗測試對照分析等方法,綜閤評價硬塗層-薄闆的減振效果.結果錶明:塗敷NiCrAlY硬塗層後,懸臂鈦閤金闆的前10階固有頻率都齣現瞭上升(上升幅度為1.600％～1.972％);前10階模態阻尼比大部分有所上升(15.79％～160％),但有例外(第3階略有降低、第5階基本不變);容易引起懸臂鈦闆疲勞破壞的第4階及第10階模態,共振狀態下振動幅值及振動應力明顯下降.將硬塗層-薄闆整體等效為特定非線性材料製成的薄闆,基于非線性彈性闆動力學理論,採用Galerkin法和小參數法,解析瞭慮及材料非線性的硬塗層-薄闆的固有特性.慮及複閤材料懸臂闆幾何關繫線性、材料非線性彈性,建立瞭硬塗層-薄闆非線性運動方程(NKEHCTP);採用Galerkin法將NKEHCTP轉化為非線性常微分方程,採用小參數法將其展開成一繫列線性微分方程進行求解,穫得瞭懸臂硬塗層-薄闆非線性振動特性的近似解析解;採用有限元法和實驗測試法對近似解析解進行瞭比較和驗證.通過對3箇不同呎吋、不同塗層材料的懸臂硬塗層-薄闆固有頻率的計算,髮現非線性解析方法和有限元方法求得的固有頻率與實驗測試的結果均貼近(最大差異9.47％),線性解析方法求得的固有頻率在3階以後相差比較大(最大差異17.59％).證明採用非線性彈性闆理論分析CP-Structure的高階振動特性,可以得到比較精確的計算解.基于von Karman理論和Reddy三階剪切變形理論,採用Hamilton變分原理建立起硬塗層-薄闆非線性動力學方程(NDEHCTP).利用Galerkin法離散NDEHCTP,得到瞭硬塗層-薄闆橫嚮變形非線性振動方程.分彆以懸臂薄闆和懸臂硬塗層-薄闆為研究對象,對其在橫嚮諧波激勵作用下的響應進行實驗攷察,得到瞭激振頻率的變化對兩類結構振動響應的影響.結果錶明,懸臂硬塗層-薄闆比懸臂薄闆的振動行為更加複雜,但是髮生混沌運動的區間要比懸臂薄闆小;尤其是在高頻率範圍,硬塗層抑製瞭混沌運動的髮生.以提高複閤結構彊度和顯著提高結構繫統阻尼特性為目標,建立瞭以組閤性能指標Etan最大化為覈心的塗層阻尼減振優化設計體繫,創立瞭硬塗層-薄闆結構阻尼減振優化設計方法;建立瞭基于Reuss模型的複閤結構力學特性計算模型(MMCSBRM),給齣瞭硬塗層阻尼減振的優化設計流程(ODPBRM);以鈦閤金薄闆為例,採用ODPBRM對硬塗層材料的彈性模量、損耗因子和塗敷厚度等參量進行尋優,討論瞭它們對于CP-Structure整體動力學特性的貢獻.採用有限元法,對硬塗層處理前後的薄闆整體的固有特性、模態阻尼比和諧響應等減振指標進行阻尼減振效果對比驗證.結果錶明,在3 mm鈦闆上塗敷硬塗層後,其最優設計工況下,髮生瞭頻率偏移(增大2.49％～2.70％)、模態阻尼比顯著增加(增加13.62％～16.82％)、諧響應共振峰顯著降低(降低90％以上)等現象,證實減振優化設計具有明顯效果.通過研究,針對硬塗層-薄闆的阻尼特性、非線性振動與阻尼優化設計建立起較為繫統的分析架構,建立瞭硬塗層材料力學參數辨識的方法、CP-Structure的有限元模型及非線性動力學方程、硬塗層減振有效性的評估以及硬塗層阻尼減振的優化設計流程,得到瞭12項科學結論,提齣瞭硬塗層在科學研究與工程應用中需要進一步研究的問題.
재중국국가중점기출발전계화(973계화)항목《고단압축궤조고효가고급지능화기출연구》화《경암굴진장비적관건기술문제》,중국국가자연과학기금자조항목《박벽구건경도층조니감진적다척도모의방법여주동설계》화《탄성지승다전자계통적불대중건모여진동분석》,중앙고교기본과연업무비전항자금자조항목《경도층박판복합결구적감진궤리급진동피로특성연구》적공동자조하,침대경도층-박판적조니특성、비선성진동여감진우화설계등문제,통과이론추도、모형건구、수치방진,이급실험측시등방법,건립기유경도층재료역학특성삼량적변식이급경도층-박판동역학건모、비선성진동、감진조니우화설계등조성적경도층-박판조니특성、비선성진동여감진우화설계이론체계,보고학술연구성과.채용전자속물리기상침적(EB-PVD)재불수강량상제비료NiCrAlY경도층.채용납미압흔실험,결합압흔과정적유한원모의,재각향동성탄성재료화각향이성탄성재료등2충본구관계간화가설하,변식경도층역학특성삼수(주요시탄성모량).당경도층간화위각향동성탄성재료시,이압흔실험가재곡선위의거,통과무량강분석화유한원모의,구해출필급기체효응적NiCrAlY경도층재료적탄성모량(E=168.44 GPa).당경도층간화위각향이성탄성재료시,통과간화경도층본구모형,학정수요구해적독립횡관각향동성재료역학특성삼수시ET(횡향탄성모량)화EL(종향탄성모량);채용량강분석화유한원모의,득도료압흔실험향응과정중적최대가재력、가재곡선지수여경도층재료역학특성삼수지간적무량강방정,구해출ET=133.17 GPa화EL=181.21GPa.이도부NiCrAlY경도층적현비태합금박판위대상,장변식득도적각향동성재료삼수화각향이성재료삼수분별대입,건립도층-박판복합결구(CP-Structure)유한원모형,대CP-Structure적고유특성화진동향응진행수치분석.통과대비채용변식방법득도적각향동성재료삼수,이급유횡관각향동성재료삼수계산득도적고유빈솔여실험측시결과적차이솔,발현채용횡관각향동성재료삼수적고유빈솔계산결과재고계부분(4～8계)여실험측시득도적결과경위접근(차이균재2％이내).저설명,경도층결구고계진동특성분석,이급경도층대고주피로억제연구,응당채용횡관각향동성본구관계.침대박판고계공진인기적피로파배,기우박판결구적감진지표(포괄고유빈솔、조니비、진동폭치、진동응력、피로수명등),선취현비태판적전형모태,채용수치계산여실험측시대조분석등방법,종합평개경도층-박판적감진효과.결과표명:도부NiCrAlY경도층후,현비태합금판적전10계고유빈솔도출현료상승(상승폭도위1.600％～1.972％);전10계모태조니비대부분유소상승(15.79％～160％),단유예외(제3계략유강저、제5계기본불변);용역인기현비태판피로파배적제4계급제10계모태,공진상태하진동폭치급진동응력명현하강.장경도층-박판정체등효위특정비선성재료제성적박판,기우비선성탄성판동역학이론,채용Galerkin법화소삼수법,해석료필급재료비선성적경도층-박판적고유특성.필급복합재료현비판궤하관계선성、재료비선성탄성,건립료경도층-박판비선성운동방정(NKEHCTP);채용Galerkin법장NKEHCTP전화위비선성상미분방정,채용소삼수법장기전개성일계렬선성미분방정진행구해,획득료현비경도층-박판비선성진동특성적근사해석해;채용유한원법화실험측시법대근사해석해진행료비교화험증.통과대3개불동척촌、불동도층재료적현비경도층-박판고유빈솔적계산,발현비선성해석방법화유한원방법구득적고유빈솔여실험측시적결과균첩근(최대차이9.47％),선성해석방법구득적고유빈솔재3계이후상차비교대(최대차이17.59％).증명채용비선성탄성판이론분석CP-Structure적고계진동특성,가이득도비교정학적계산해.기우von Karman이론화Reddy삼계전절변형이론,채용Hamilton변분원리건립기경도층-박판비선성동역학방정(NDEHCTP).이용Galerkin법리산NDEHCTP,득도료경도층-박판횡향변형비선성진동방정.분별이현비박판화현비경도층-박판위연구대상,대기재횡향해파격려작용하적향응진행실험고찰,득도료격진빈솔적변화대량류결구진동향응적영향.결과표명,현비경도층-박판비현비박판적진동행위경가복잡,단시발생혼돈운동적구간요비현비박판소;우기시재고빈솔범위,경도층억제료혼돈운동적발생.이제고복합결구강도화현저제고결구계통조니특성위목표,건립료이조합성능지표Etan최대화위핵심적도층조니감진우화설계체계,창립료경도층-박판결구조니감진우화설계방법;건립료기우Reuss모형적복합결구역학특성계산모형(MMCSBRM),급출료경도층조니감진적우화설계류정(ODPBRM);이태합금박판위례,채용ODPBRM대경도층재료적탄성모량、손모인자화도부후도등삼량진행심우,토론료타문대우CP-Structure정체동역학특성적공헌.채용유한원법,대경도층처리전후적박판정체적고유특성、모태조니비화해향응등감진지표진행조니감진효과대비험증.결과표명,재3 mm태판상도부경도층후,기최우설계공황하,발생료빈솔편이(증대2.49％～2.70％)、모태조니비현저증가(증가13.62％～16.82％)、해향응공진봉현저강저(강저90％이상)등현상,증실감진우화설계구유명현효과.통과연구,침대경도층-박판적조니특성、비선성진동여조니우화설계건립기교위계통적분석가구,건립료경도층재료역학삼수변식적방법、CP-Structure적유한원모형급비선성동역학방정、경도층감진유효성적평고이급경도층조니감진적우화설계류정,득도료12항과학결론,제출료경도층재과학연구여공정응용중수요진일보연구적문제.
