一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法

摘要

本发明提供了一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法。本发明基于多层硬涂层截面的SEM电镜图，通过Matab编程、AI和CAD软件相结合提取涂层SEM电镜图中的主要微观结构特征孔隙和裂纹，并将上述特征导入Abaqus中建立二维有限元模型，进而采用内聚力单元cohesive模拟涂层内部裂纹和界面裂纹，并通过对有限元二维模型进行正弦循环加载的方式求得多层硬涂层的阻尼损耗因子。本发明提供的方法同时考虑了内部孔隙、裂纹以及界面裂纹，求得阻尼损耗因子结果较为准确，同时可根据此二维有限元模型探究硬涂层微观参数对阻尼性能的影响，为多层硬涂层的主动设计提供理论基础。

说明书

技术领域

本发明属于多层硬涂层阻尼仿真分析技术领域，涉及一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法，具体为一种模拟多层硬质涂层内部裂纹与界面裂纹并计算其阻尼损耗因子的有限元分析方法。

背景技术

硬涂层主要是指金属基、陶瓷基涂层以及金属和陶瓷混合而成的复合涂层，相比于橡胶、粘弹性材料等有机高分子软涂层，其在耐高温、耐腐蚀、抗冲刷、抗辐射等领域均有表现出优异的性能，而且其能在不改变结构特性的前提下，提高结构的表面性能，改善结构的机械特性。近年来试验研究发现硬涂层同时还表现出优异的阻尼性能，在薄壁机构如飞机发动机叶片表面，这种阻尼性能表现更为突出。试验研究发现硬涂层的这种阻尼能力主要来源于其微观结构，微观结构中存在大量裂纹以及界面成为其能量耗散的主要来源。随着实际应用对阻尼性能的要求越来越高，具有更好阻尼性能的多层硬涂层结构逐渐受到人们的关注，相比与基体硬涂层复合结构，基体多层硬涂层的微观结构更为复杂，其内部断面形貌表现出复杂的界面和微观结构，存在着不同涂层间的层间裂纹、涂层与基底的宏观界面、涂层内部的层状界面、孔隙等，这些复杂的微观和介观结构组成，是实现其阻尼性能的重要基础。因此从微观结构上研究硬涂层结构特征参数对多层硬涂层阻尼性能的影响，有利于下一步进行多层硬涂层的优化设计。

目前对硬涂层复合结构的阻尼损耗因子测试对集中于试验测试和理论分析，如东北大学的孙伟(公开号：CN103528901A)等人发明了一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法，具体是采用激光测振仪、数据采集分析仪等实现了对硬涂层复合结构振动特性测试；中国商飞技术研究中心(公开号：CN111046487A)提出了一种基于动力学方程的硬涂层减振优化设计方法，具体为对硬涂层复合结构进行动力学建模和通过制备工艺调节硬涂层相关参数实现对硬涂层复合结构的优化设计。

现有的多层硬涂层阻尼特性研究存在以下不足：(1)研究多集中于宏观的试验应用，多层硬涂层复合结构振动特性参数测试过程较为复杂；(2)通过理论法计算多层硬涂层阻尼损耗因子时，未考虑层间耗散作用，导致计算结果误差较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种同时考虑多层硬涂层内部裂纹与界面裂纹的有限元阻尼损耗因子计算方法，基于多层硬涂层的微观结构通过有限元软件Abaqus建立其二维有限元模型，仿真计算过程中考虑层间耗散作用，提高计算准确度。本发明提供的方法可以指导下一步多层硬涂层中的微观结构参数对其阻尼性能的影响，为下一步多层硬涂层的微观结构参数匹配与优化设计提供理论基础。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法，包括以下步骤：

(1)基于多层硬涂层的SEM电镜图，通过Matlab进行灰度二值化处理提取涂层的孔隙特征，得到二值化图像；采用Matlab中的高斯模糊和中值滤波命令将所得二值化图像中的噪点去除，并利用AI图像处理软件将去除噪点后的孔隙特征转换为可编辑的矢量轮廓。

(2)在步骤(1)得到的孔隙矢量轮廓的基础上，根据多层硬涂层的SEM电镜图采用CAD添加涂层的裂纹特征，包括涂层内部裂纹和界面裂纹，其中将长条形孔隙视为裂纹处理。

(3)通过CAD将步骤(1)和步骤(2)所得多层硬涂层孔隙矢量轮廓和裂纹特征导入Abaqus中建立二维有限元模型；设置多层硬涂层中每层硬涂层的密实材料属性，包括弹性模量和泊松比。

(4)在二维有限元模型中，孔隙部分的材料被删除，为了便于收敛，将裂纹处的网格细化，并对有限元模型进行四边形网格划分，采用插入内聚力单元cohesive的方式来模拟涂层内部裂纹和界面裂纹，设置cohesive单元网格属性与单元参数，如接触刚度，断裂准则等。

(5)在二维有限元模型中，通过定义振幅及周期添加正弦循环荷载，在定义接触时使用Abaqus中的通用接触，在裂纹处的cohesiv单元产生接触摩擦时，Abaqus能够自动检测接触；根据涂层约束情况和载荷状态，采用静态通用分析方式，并确定增量步的数量。

优选地，在步骤(5)中进行接触设置时，将接触的摩擦系数设为0.5。

(6)分别在二维有限元模型的四个边界上布置至少5个参考点，并取所有参考点的平均位移作为边界位移，根据边界位移求得步骤(5)中荷载所做的功，根据Abaqus计算结果利用Matlab编程绘制滞回曲线，根据滞回曲线求得循环加载一个周期内多层硬涂层二维模型的损耗能量与最大弹性变性能的比值，即可求得多层硬涂层阻尼损耗因子。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的方法从微观结构同时考虑了多层硬涂层中涂层的内部能量耗散以及不同层间界面处的能量耗散，计算的阻尼损耗因子结果较为准确。

(2)本发明提供的方法采用图像处理的方法对多层硬涂层SEM电镜图中的微观结构特征进行了提取，并通过有限元模型的方式将上述微观结构特征信息进行展现。

(3)本发明提供的方法通过求滞回曲线方式，采用能量法计算得到多层硬涂层的阻尼损耗因子，为了便于观察，并通过Matlab将滞回曲线进行了放大处理。

因此，本发明提供的方法为下一步微观结构的相关参数影响分析以及多层硬涂层的阻尼优化设计提供理论基础，提供了一种采用有限元模拟手段求多层硬涂层阻尼损耗因子的方法，更好地促进多层硬涂层的应用与发展。

附图说明

图1为本发明提供考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子有限元计算方法的流程图；

图2为三层硬涂层的SEM电镜图；

图3(a)～图3(c)为三层硬涂层灰度二值化处理后的图片；

图4为三层硬涂层微观结构图；

图5为划分网格后的二维有限元模型；

图6为插入cohesive单元的裂纹区域示意图；

图7为施加边界及加载示意图；

图8为模型加载曲线；

图9为数据处理后得到的滞回曲线放大图；

图10为实验测得三层硬涂层阻尼损耗因子随频率变化曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明提供的考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子有限元计算方法的流程图，本实施例中，模拟三层硬涂层中界面裂纹与膜裂纹的摩擦耗能进而求其阻尼损耗因子，包括以下步骤：

(1)基于三层硬涂层的SEM电镜图如图2所示，采用Matlab分别对三层硬涂层中的每层涂层进行灰度二值化处理如图3(a)～图3(c)所示，通过AI软件对孔隙轮廓进行矢量化处理，并导入CAD中在孔隙的基础上添加裂纹特征，如图4所示。

(2)将上述得到的孔隙裂纹特征通过CAD导入Abaqus中作为草图处理，根据草图，将孔隙所在位置材料删除，建立多层硬涂层的二维有限元模型。

(3)对所述步骤(2)中二维有限元模型进行网格划分，裂纹所在区域网格细化，划分网格后的二维有限元模型如图5所示；根据涂层内部裂纹和界面裂纹区域插入cohesive内聚力单元，定义内聚力单元类型以及裂纹失效极限值、接触刚度等材料参数，本实施例的参数设置如表1所示。在二维有限元模型的四个边界上各设置5个参考点，将所有参考点所在的节点设置为节点集，在step的历程变量输出中输出节点集的位移。

表1 cohesive单元参数

(4)分别对其左下角点和右下角点进行完全约束和简支约束，并在四周施加正弦循环加载，如图7所示，定义振幅、周期等参数，加载曲线如图8所示。

(5)对所述步骤(4)中二维有限元模型进行应力、应变分析，根据历程变量输出中输出的各节点随时间的位移曲线，对其进行后处理，具体数据处理过程为：

其中u

dW＝σ

其中，σ

ζ＝σ

仿真出f(t)对ζ(t)的曲线即为模型的滞回曲线。由仿真计算得到的数据结果进行直接表征，得到的曲线为细长的滞回环，但由于模型摩擦耗能太小，导致滞回环过于细长，无法观察其细节。因此对所得的数据进行适量放大，将f(t)减去一个双线性的部分来放大滞回环：

仿真出

使用动态热机械分析仪(DMA)采用单悬臂方法本实施例中多层硬涂层样件测量的试验结果如图10所示，在室温，1Hz的频率下多层硬涂层样件的阻尼损耗因子测试结果为0.028，仿真计算结果与试验测量结果误差为13％，验证了本发明的计算方法的准确性。