薄壁构件硬涂层阻尼减振的多尺度模拟方法与主动设计

硬涂层在应用于航空发动机叶片等旋转薄壁构件时，具有提高强度、阻尼减振的特殊效果，为解决这类关键结构件高周疲劳失效提供了新途径。然而硬涂层微观结构和表界面特性引起的能量耗损及其阻尼特性机制认识不清，无法实现硬涂层的强度、阻尼等性能的主动设计。本项目针对以航空发动机叶片等为代表的旋转薄壁构件硬涂层阻尼减振技术开展研究，提出多尺度研究方法，针对硬涂层阻尼机理及其影响因素展开了深入研究。 (1) 在微观尺度，以镁铝合金结晶复合材料为例，提出了一种含多相的复杂分子模型构建方法和材料阻尼计算方法，从微观尺度研究了镁铝合金结晶复合材料的阻尼机理以及第二相对阻尼的影响，获得了阻尼随温度、频率、应变的变化规律，分析单晶铜的阻尼机理及微观缺陷对其阻尼的影响。该方法可用于硬涂层材料的阻尼设计。 (2) 针对采用大气等离子喷涂方法制备陶瓷基硬涂层，提出了一种通过图像处理提取硬涂层介观表面微缺陷的方法与基于均匀化理论与有限元方法的硬涂层材料弹性模量分析方法和虑及涂层微观裂纹面摩擦的硬涂层阻尼参数计算方法。该方法有效揭示了阻尼涂层耗能机理。进一步获得了涂层储能模量随温度的变化规律。考虑涂层缺陷特征，建立了涂层材料简化计算模型，研究了介观缺陷对硬涂层力学及阻尼性能的影响。 (3) 在宏观尺度，基于上述获得的涂层材料力学参数，采用解析法和有限元结合的方法，提出了面向整体叶盘等结构的硬涂层材料参数多目标优化设计方法和硬涂层振动疲劳寿命分析方法，获得了硬涂层对结构减振及疲劳寿命影响的基本规律，实现了硬涂层阻尼材料的主动设计。 本项目创新性地采用多尺度理论方法研究旋转薄壁构件的硬涂层阻尼减振机理，从而实现硬涂层材料及结构的主动设计，达到了面向振动特性、阻尼减振以及强度和寿命的薄壁结构硬涂层阻尼材料综合设计要求，对于提升高端旋转机械装备结构可靠性与完整性具有重要意义。 2100433B

硬涂层在应用于航空发动机叶片等旋转薄壁构件时，具有提高强度、阻尼减振的特殊效果，为解决这类关键结构件高周疲劳失效提供了新途径。然而硬涂层微观结构和表界面特性引起的能量耗损及其阻尼特性机制认识不清，无法实现硬涂层的强度、阻尼等性能的主动设计。本项目提出在杂交KMC/MD、表界面细观力学、边界积分方程、动力学试验的基础上，模拟硬涂层PVD制备工艺，采用不同尺度方法分析其表界面能量，研究涂层结构的强度和动力学特性，进行硬涂层结构的主动设计及优化。从而获得硬涂层制备过程和涂层结构件整体力学行为的微观、介观和宏观的综合模拟方法，实现利用其阻尼能力提高关键薄壁结构件的减振，并面向振动特性、阻尼减振以及强度和寿命的综合要求，实现多目标优化设计。本项目创新性地采用多尺度理论方法研究旋转薄壁构件的硬涂层阻尼减振机理，实现有效的能量耗散并提高抗高周疲劳能力，对高端旋转机械装备结构可靠性与完整性具有重要意义。

硬涂层阻尼减振是一种适用于动力装备工作环境的、可有效抑制薄壳构件振动超标的一种新兴的减振措施。由于对硬涂层的阻尼减振机理认识不清，严重限制了该项减振措施在薄壳类构件减振设计中的推广应用。本项目，以可有效模拟动力装备中常见薄壳构件的薄板以及圆柱壳为研究对象，围绕薄壳构件硬涂层阻尼减振机理和相关振动测试方法开展研究，具体包括：薄壳构件-硬涂层复合结构非线性阻尼表征、确定硬涂层材料非线性本构模型、用力学模型描述薄壳构件-硬涂层复合结构的非线性动力学机理和分析硬涂层对复合结构振动参数的影响规律等研究内容。通过本项目的研究，将从宏观振动学角度揭示硬涂层阻尼减振的动力学机理以及初步建立起满足薄壳构件硬涂层阻尼减振设计需要的振动测试、复合结构动力学分析的方法体系。最终为硬涂层减振技术在动力装备中的薄壳构件上推广应用提供技术支持。

硬涂层是由金属基、陶瓷基或两者混合制成的涂层材料，将其涂敷在以航空发动机为代表的动力装备的薄壳构件上，可有效抑制薄壳构件过大的振动应力进而避免高周疲劳。为了科学地实施薄壳构件硬涂层阻尼减振，必须明确硬涂层对薄壳构件的阻尼减振机理。本项目，以可有效模拟动力装备中常见薄壳构件的梁、板及圆柱壳为研究对象，围绕薄壳构件硬涂层阻尼减振机理和相关振动测试方法开展研究，取得了以下成果：组建了激光扫描、压电陶瓷激励等专用测试系统，研究提出了频域带宽法、Hilbert变换法识别硬涂层薄壳结构非线性刚度及阻尼的方法；在考虑硬涂层材料中小阻尼及应变依赖性特点的基础上，研究提出修正振动梁法和反推法辨识硬涂层材料力学特性参数的方法；针对硬涂层梁、板、壳结构，利用假设模态和伽辽金截断法，创建了上述硬涂层复合结构线性解析分析模型，并分析了硬涂层参数及厚度对基体结构动力学特性的影响；在将硬涂层材料参数按照多项式模型引入的基础上，分别用有限元及解析法创建了硬涂层梁、板、壳复合结构的非线性振动分析模型，研发出用于求解上述复合结构共振频率和共振响应的高效迭代算法，再现了实验中观测到的硬涂层复合结构软式非线性现象；针对获取硬涂层在薄壳结构件上最佳涂敷位置的需求，研发出修正模态应变能法以及多种群遗传算法解决了硬涂层复合结构阻尼优化设计问题；将硬涂层减振技术扩展应用在层合板以及航空发动机整体叶盘上，并对涂敷硬涂层的上述结构的振动特性进行了初步研究。通过本项目的研究，实现了从宏观振动学角度揭示硬涂层阻尼减振动力学机理的目标，初步建立起满足于硬涂层阻尼减振设计需要的振动测试、涂层材料参数辨识、涂层复合结构动力学分析和硬涂层复合结构阻尼优化等较为完备的技术方法体系。 2100433B

本书清晰地阐述了多尺度结构性能关系的概念。在介绍量子理论和分子动力学经验方法的基础上，范教授深入地探讨了如何把这些方法与粗晶粒和连续介质模型相结合，并应用到工程上所关心的大尺度问题中，以满足器件与产品的设计要求。该书进一步强调了机械性能的多尺度模型，深入浅出地介绍了多尺度材料变形和破坏分析这一交叉学科领域，并特别留意了读者主动吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知识与方法。

围绕将多尺度分析分为两大类以形成大范围分析框架的思路，本书阐述了分子动力学要义及其与量子力学的能量联结，评介了跨原子/连续介质的多尺度分析方法，阐述了提出的嵌套与耦合串行式跨微/细/宏观分析的原理与方法，并以复相弹塑性与损伤复合材料为例，介绍了相关的概念、步骤、结果及其与实验的比较。