基于修正模态应变能法的硬涂层薄板结构阻尼预估及优化

摘要

硬涂层是指由金属基、陶瓷基或两者的混合制成的涂层材料。近年来的研究发现，涂敷硬涂层的结构系统阻尼系数增加、共振应力降低，即硬涂层具有阻尼减振的效果。预测硬涂层复合结构的阻尼性能是硬涂层阻尼减振研究中的一个关键内容。模态应变能法是预测复合结构阻尼性能的一种经典方法。但经典的模态应变能法却无法直接应用于硬涂层复合结构的阻尼性能预估中。本文在考虑硬涂层材料中小阻尼特点以及修正经典模态应变能法计算误差的前提下，提出了一种适用于硬涂层复合结构阻尼性能预估的新方法，并开展了涂敷位置优化设计研究，具体研究内容体现在以下4方面:
　　首先，阐述了模态应变能法的基本理论。给出了求解整体模态应变能以及单元模态应变能的理论公式。用悬臂钛板结构予以举例例证，应用ANSYS和Matlab分别计算了固支薄板结构前6阶的固有频率、整体模态应变能和单元模态应变能分布，叙述了求解模态应变能的具体流程及主要命令，并对比两者的计算结果。
　　然后，介绍了应用经典模态应变能法预估硬涂层复合结构阻尼的过程。在改善经典模态应变能法计算误差的背景下，提出了两种修正模态应变能法用于硬涂层复合结构阻尼性能的预估，推导了修正模态应变能法的原理性公式，描述了预估硬涂层复合结构阻尼性能的计算流程。并以一个涂敷Mg-AL硬涂层的悬臂薄板为例进行了实例研究。
　　再则，讨论了硬涂层材料杨氏模量、损耗因子和涂层厚度对结构系统阻尼性能的影响。分别探究了单一因素和两两组合因素对阻尼性能的影响规律。结果发现增大硬涂层的杨氏模量、损耗因子及厚度均可以提高复合结构的阻尼性能。
　　最后，针对硬涂层薄板结构完成了局部涂敷的阻尼优化设计。局部涂敷硬涂层位置的选择是依据模态应变能法计算获得的。讨论了抑制单一阶次和多阶次振动的阻尼优化情况，并探究了局部涂敷面积对复合结构阻尼性能的影响。设计实施了多组实验，很好地验证了用模态应变能法进行阻尼优化设计的相关结论。
　　本文的研究成果可为硬涂层材料制备及阻尼减振设计提供参考，也可为硬涂层减振技术在动力装备薄壳结构中的应用提供支持。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的目的及意义

1．2 模态应变能法简介及其应用

1．3 硬涂层阻尼减振概述

1．3．1 硬涂层定义

1．3．2 硬涂层减振研究概述

1．4 模态应变能法在阻尼减振中的应用

1．5 本文研究

第2章 薄板结构的模态应变能求解

2．1 模态应变能法的基本理论

2．1．1 应变能

2．1．2 模态应变能公式

2．2 应用ANSYS求解薄板结构的模态应变能

2．2．1 利用ANSYS软件求解薄板结构的模态应变能的流程

2．2．2 基于实体单元的求解薄板模态应变能

2．2．3 基于壳单元的求解薄板模态应变能

2．2．4 实体单元与壳单元的求解结果对比

2．3 基于Matlab的求解薄板结构的模态应变能

2．3．1 基于Matlab的求解薄板结构的模态应变能的计算流程

2．3．2 计算实例

2．3．3 ANSYS与Matlab两者结果对比

2．4 本章小结

第3章 基于修正模态应变能法的硬涂层复合结构阻尼预估

3．1 基于经典模态应变能法的硬涂层复合结构阻尼预估

3．2 基于修正模态应变能法的硬涂层复合结构阻尼预估

3．3 修正模态应变能法计算步骤

3．4 硬涂层复合结构有限元建模方法

3．5 研究实例

3．5．1 基于ANSYS的求解

3．5．2 自编Matlab程序的求解

3．6 本章小结

第4章 硬涂层材料参数对复合结构阻尼性能的影响分析

4．1 硬涂层材料参数的特点

4．2 硬涂层杨氏模量对复合结构阻尼性能的影响

4．3 硬涂层厚度对复合结构阻尼性能的影响

4．4 硬涂层损耗因子对复合结构阻尼性能的影响

4．5 硬涂层组合参数对复合结构阻尼特性的影响规律

4．5．1 硬涂层杨氏模量与厚度对复合结构阻尼特性的影晌规律

4．5．2 硬涂层杨氏模量与损耗因子对复合结构阻尼特性的影响规律

4．5．3 硬涂层厚度与损耗因子对复合结构阻尼特性的影响规律

4．5 本章小结

第5章 基于修正模态应变能法的硬涂层涂敷位置阻尼优化

5．1 阻尼优化概述

5．2 基于修正模态应变能法阻尼优化基本原理及实施步骤

5．2．1 阻尼优化的基本原理

5．2．2 阻尼优化的实施步骤

5．3 面向薄板结构单阶次阻尼性能优化

5．3．1 面向第1阶模态的阻尼性能优化

5．3．2 面向第2阶模态的阻尼性能优化

5．3．3 面向第3阶模态的阻尼性能优化

5．3．4 面向第4阶模态的阻尼性能优化

5．3．5 面向第5阶模态的阻尼性能优化

5．4 面向薄板结构多阶次的阻尼性优化

5．4．1 面向第1、2阶模态的阻尼性能优化

5．4．2 面向第3、4、5阶模态的阻尼性能优化

5．5 涂敷面积对阻尼性能的影响

5．6 阻尼优化方法实验验证

5．7 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文