薄壁構(gòu)件硬涂層阻尼減振的多尺度模擬方法與主動(dòng)設(shè)計(jì)

硬涂層在應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等旋轉(zhuǎn)薄壁構(gòu)件時(shí)，具有提高強(qiáng)度、阻尼減振的特殊效果，為解決這類關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件高周疲勞失效提供了新途徑。然而硬涂層微觀結(jié)構(gòu)和表界面特性引起的能量耗損及其阻尼特性機(jī)制認(rèn)識不清，無法實(shí)現(xiàn)硬涂層的強(qiáng)度、阻尼等性能的主動(dòng)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目針對以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等為代表的旋轉(zhuǎn)薄壁構(gòu)件硬涂層阻尼減振技術(shù)開展研究，提出多尺度研究方法，針對硬涂層阻尼機(jī)理及其影響因素展開了深入研究。 (1) 在微觀尺度，以鎂鋁合金結(jié)晶復(fù)合材料為例，提出了一種含多相的復(fù)雜分子模型構(gòu)建方法和材料阻尼計(jì)算方法，從微觀尺度研究了鎂鋁合金結(jié)晶復(fù)合材料的阻尼機(jī)理以及第二相對阻尼的影響，獲得了阻尼隨溫度、頻率、應(yīng)變的變化規(guī)律，分析單晶銅的阻尼機(jī)理及微觀缺陷對其阻尼的影響。該方法可用于硬涂層材料的阻尼設(shè)計(jì)。 (2) 針對采用大氣等離子噴涂方法制備陶瓷基硬涂層，提出了一種通過圖像處理提取硬涂層介觀表面微缺陷的方法與基于均勻化理論與有限元方法的硬涂層材料彈性模量分析方法和慮及涂層微觀裂紋面摩擦的硬涂層阻尼參數(shù)計(jì)算方法。該方法有效揭示了阻尼涂層耗能機(jī)理。進(jìn)一步獲得了涂層儲能模量隨溫度的變化規(guī)律?？紤]涂層缺陷特征，建立了涂層材料簡化計(jì)算模型，研究了介觀缺陷對硬涂層力學(xué)及阻尼性能的影響。 (3) 在宏觀尺度，基于上述獲得的涂層材料力學(xué)參數(shù)，采用解析法和有限元結(jié)合的方法，提出了面向整體葉盤等結(jié)構(gòu)的硬涂層材料參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和硬涂層振動(dòng)疲勞壽命分析方法，獲得了硬涂層對結(jié)構(gòu)減振及疲勞壽命影響的基本規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了硬涂層阻尼材料的主動(dòng)設(shè)計(jì)。 本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用多尺度理論方法研究旋轉(zhuǎn)薄壁構(gòu)件的硬涂層阻尼減振機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)硬涂層材料及結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，達(dá)到了面向振動(dòng)特性、阻尼減振以及強(qiáng)度和壽命的薄壁結(jié)構(gòu)硬涂層阻尼材料綜合設(shè)計(jì)要求，對于提升高端旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)可靠性與完整性具有重要意義。 2100433B

硬涂層在應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等旋轉(zhuǎn)薄壁構(gòu)件時(shí)，具有提高強(qiáng)度、阻尼減振的特殊效果，為解決這類關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件高周疲勞失效提供了新途徑。然而硬涂層微觀結(jié)構(gòu)和表界面特性引起的能量耗損及其阻尼特性機(jī)制認(rèn)識不清，無法實(shí)現(xiàn)硬涂層的強(qiáng)度、阻尼等性能的主動(dòng)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目提出在雜交KMC/MD、表界面細(xì)觀力學(xué)、邊界積分方程、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模擬硬涂層PVD制備工藝，采用不同尺度方法分析其表界面能量，研究涂層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)行硬涂層結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。從而獲得硬涂層制備過程和涂層結(jié)構(gòu)件整體力學(xué)行為的微觀、介觀和宏觀的綜合模擬方法，實(shí)現(xiàn)利用其阻尼能力提高關(guān)鍵薄壁結(jié)構(gòu)件的減振，并面向振動(dòng)特性、阻尼減振以及強(qiáng)度和壽命的綜合要求，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用多尺度理論方法研究旋轉(zhuǎn)薄壁構(gòu)件的硬涂層阻尼減振機(jī)理，實(shí)現(xiàn)有效的能量耗散并提高抗高周疲勞能力，對高端旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)可靠性與完整性具有重要意義。

硬涂層阻尼減振是一種適用于動(dòng)力裝備工作環(huán)境的、可有效抑制薄殼構(gòu)件振動(dòng)超標(biāo)的一種新興的減振措施。由于對硬涂層的阻尼減振機(jī)理認(rèn)識不清，嚴(yán)重限制了該項(xiàng)減振措施在薄殼類構(gòu)件減振設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用。本項(xiàng)目，以可有效模擬動(dòng)力裝備中常見薄殼構(gòu)件的薄板以及圓柱殼為研究對象，圍繞薄殼構(gòu)件硬涂層阻尼減振機(jī)理和相關(guān)振動(dòng)測試方法開展研究，具體包括：薄殼構(gòu)件-硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)非線性阻尼表征、確定硬涂層材料非線性本構(gòu)模型、用力學(xué)模型描述薄殼構(gòu)件-硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)理和分析硬涂層對復(fù)合結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律等研究內(nèi)容。通過本項(xiàng)目的研究，將從宏觀振動(dòng)學(xué)角度揭示硬涂層阻尼減振的動(dòng)力學(xué)機(jī)理以及初步建立起滿足薄殼構(gòu)件硬涂層阻尼減振設(shè)計(jì)需要的振動(dòng)測試、復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的方法體系。最終為硬涂層減振技術(shù)在動(dòng)力裝備中的薄殼構(gòu)件上推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

硬涂層是由金屬基、陶瓷基或兩者混合制成的涂層材料，將其涂敷在以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的動(dòng)力裝備的薄殼構(gòu)件上，可有效抑制薄殼構(gòu)件過大的振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)而避免高周疲勞。為了科學(xué)地實(shí)施薄殼構(gòu)件硬涂層阻尼減振，必須明確硬涂層對薄殼構(gòu)件的阻尼減振機(jī)理。本項(xiàng)目，以可有效模擬動(dòng)力裝備中常見薄殼構(gòu)件的梁、板及圓柱殼為研究對象，圍繞薄殼構(gòu)件硬涂層阻尼減振機(jī)理和相關(guān)振動(dòng)測試方法開展研究，取得了以下成果：組建了激光掃描、壓電陶瓷激勵(lì)等專用測試系統(tǒng)，研究提出了頻域帶寬法、Hilbert變換法識別硬涂層薄殼結(jié)構(gòu)非線性剛度及阻尼的方法；在考慮硬涂層材料中小阻尼及應(yīng)變依賴性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究提出修正振動(dòng)梁法和反推法辨識硬涂層材料力學(xué)特性參數(shù)的方法；針對硬涂層梁、板、殼結(jié)構(gòu)，利用假設(shè)模態(tài)和伽遼金截?cái)喾ǎ瑒?chuàng)建了上述硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)線性解析分析模型，并分析了硬涂層參數(shù)及厚度對基體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響；在將硬涂層材料參數(shù)按照多項(xiàng)式模型引入的基礎(chǔ)上，分別用有限元及解析法創(chuàng)建了硬涂層梁、板、殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性振動(dòng)分析模型，研發(fā)出用于求解上述復(fù)合結(jié)構(gòu)共振頻率和共振響應(yīng)的高效迭代算法，再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中觀測到的硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)軟式非線性現(xiàn)象；針對獲取硬涂層在薄殼結(jié)構(gòu)件上最佳涂敷位置的需求，研發(fā)出修正模態(tài)應(yīng)變能法以及多種群遺傳算法解決了硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼優(yōu)化設(shè)計(jì)問題；將硬涂層減振技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用在層合板以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤上，并對涂敷硬涂層的上述結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了初步研究。通過本項(xiàng)目的研究，實(shí)現(xiàn)了從宏觀振動(dòng)學(xué)角度揭示硬涂層阻尼減振動(dòng)力學(xué)機(jī)理的目標(biāo)，初步建立起滿足于硬涂層阻尼減振設(shè)計(jì)需要的振動(dòng)測試、涂層材料參數(shù)辨識、涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析和硬涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼優(yōu)化等較為完備的技術(shù)方法體系。 2100433B

本書清晰地闡述了多尺度結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的概念。在介紹量子理論和分子動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，范教授深入地探討了如何把這些方法與粗晶粒和連續(xù)介質(zhì)模型相結(jié)合，并應(yīng)用到工程上所關(guān)心的大尺度問題中，以滿足器件與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。該書進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了機(jī)械性能的多尺度模型，深入淺出地介紹了多尺度材料變形和破壞分析這一交叉學(xué)科領(lǐng)域，并特別留意了讀者主動(dòng)吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知識與方法。

圍繞將多尺度分析分為兩大類以形成大范圍分析框架的思路，本書闡述了分子動(dòng)力學(xué)要義及其與量子力學(xué)的能量聯(lián)結(jié)，評介了跨原子/連續(xù)介質(zhì)的多尺度分析方法，闡述了提出的嵌套與耦合串行式跨微/細(xì)/宏觀分析的原理與方法，并以復(fù)相彈塑性與損傷復(fù)合材料為例，介紹了相關(guān)的概念、步驟、結(jié)果及其與實(shí)驗(yàn)的比較。