硬涂层圆柱壳振动特性测试与分析

摘要

由于具有高的强度-重量比和其他优越的性能，圆柱壳成为工程中最常见的一类构件，尤其在航空和航天领域，圆柱壳更是作为支撑和承载件被大量使用。在服役过程中，圆柱壳可能承受机械载荷、惯性力、流场、热场等多种动载荷共同作用而发生疲劳破坏。因而，需要研发相应的阻尼减振措施以抑制圆柱壳的上述有害振动。硬涂层减振已成为一种极具应用前景的减振技术，其特别适用对在高温、高腐蚀环境下工作的圆柱壳进行减振。为了科学地应用此项技术，需要对硬涂层圆柱壳展开振动实验和动力学建模研究，以实现对涂敷硬涂层的圆柱壳振动特性有效预估。本文具体分为以下四个部分: (1)测试了涂覆NiCoCrAlY+YSZ硬涂层前后圆柱壳的振动特性，具体包括:利用锤击法测试获得了硬涂层前后圆柱壳的固有频率，并进一步确定了振动台的扫频范围和扫频速度;利用振动台在不同的激励幅度下通过扫频精确测试硬涂层前后的固有频率值，并由半功率带宽法计算模态阻尼比;利用振动台在某一激励幅度下定频测试与各阶共振频率相对应的共振响应值。实验表明，涂敷硬涂层后圆柱壳的固有频率会发生改变、模态阻尼系数会增加、共振响应会降低，表明硬涂层具有阻尼减振效果。 (2)建立了与实验对象相对应的有限元模型，并讨论了网格数量、硬涂层和基体的模拟方式和边界条件对硬涂层圆柱壳固有特性的影响。随后，合理确定了有限元模型的网格数量、硬涂层和基体的模拟方式和边界条件，并进行了模态分析和谐响应分析。最后，通过在圆柱壳面的上、中和下部涂敷硬涂层环带，分析了硬涂层涂敷位置对硬涂层圆柱壳振动特性和振动响应的影响规律。 (3)基于Love壳理论和能量法，分别利用梁函数法和正交多项式法对硬涂层圆柱壳固有特性的求解过程进行了解析推导。随后，以实验中的硬涂层圆柱壳为研究对象进行了实例研究，并把解析结果与实验结果及有限元结果进行了对比分析。最后，应用自行研发的计算程序分析了硬涂层参数（厚度、杨氏模量和损耗因子）对硬涂层圆柱壳固有特性的影响规律。 (4)在考虑硬涂层材料阻尼和比例阻尼的情况下，对基础激励下的硬涂层圆柱壳的共振响应进行了解析分析推导。最后，并分析了硬涂层材料参数（厚度、弹性模量和损耗因子）对硬涂层圆柱壳共振响应的影响。 本文可为在硬涂层减振研究中，选择与制备硬涂层材料提供参考，为进一步深入研究硬涂层的阻尼减振机理提供参考，也可为硬涂层减振技术在动力装备薄壳结构上推广应用提供支持。

目录

论文说明

声明

摘要

1．1研究的目的和意义

1．2硬涂层减振研究现状

1．3经阻尼处理的圆柱壳振动特性研究现状

1．4本文主要研究内容

第2章硬涂层圆柱壳振动特性测试

2．1概述

2．2测试实验件

2．3测试实验系统

2．4参数辨识方法及流程

2．5数据处理方法

2．6测试结果

2．7本章小结

3．1概述

3．2硬涂层圆柱壳有限元分析步骤

3．2．1选择单元类型和定义单元及材料参数

3．2．2建立几何模型

3．2．3划分网格并施加边界条件

3．2．4有限元求解

3．3网格数量、模拟方式及边界条件的确定

3．3．1网格数量

3．3．2边界条件

3．3．3单元模拟方式

3．4硬涂层圆柱壳的固有特性分析

3．4．1固有频率、模态振型及模态应变能分布

3．5硬涂层圆柱壳振动响应分析

3．6硬涂层涂覆位置对圆柱壳共振特性的影响

3．6．1硬涂层涂敷位置对圆柱壳固有频率的影响

3．6．2硬涂层涂敷位置对圆柱壳共振响应的影响

3．7本章小结

第4章硬涂层圆柱壳固有特性解析分析

4．1概述

4．2固有特性解析推导

4．2．1硬涂层圆柱壳解析模型

4．2．2硬涂层圆柱壳能量方程

4．2．3选择振型函数(容许函数)

4．2．4能量表达式及求解过程

4．3基于实验的硬涂层圆柱壳建模方法

4．4计算实例

4．4．1计算结果及讨论

4．5硬涂层参数对硬涂层圆柱壳固有频率和模态损耗因子的影响

4．5．1硬涂层厚度的影响

4．5．2硬涂层杨氏模量的影响

4．5．3硬涂层损耗因子的影响

4．6本章小结

第5章硬涂层圆柱壳振动响应解析分析

5．1概述

5．2共振响应解析推导

5．3数值计算实例

5．4硬涂层参数对共振响应的影响

5．4．1硬涂层厚度对共振响应的影响

5．4．2硬涂层弹性模量对共振响应的影响

5．4．3硬涂层损耗因子对共振响应的影响

5．4本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文