局部涂敷硬涂层薄板结构振动特性分析及阻尼优化研究

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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。利用硬涂层可有效控制高温、高腐蚀环境下薄壳结构过大振动。但是,由于大部分结构不允许在减振过程中显著增加或改变其自身的质量、体积和固有频率,因而仅能在薄壳结构表面局部涂敷硬涂层。本文以可有效模拟动力装备中常见薄壳构件的薄板为研究对象,针对获取硬涂层在薄板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。具体研究内容体现在如下五个方面:(1)面向局部涂敷硬涂层薄板结构,采用四节点板单元建立了复合板的有限元方程;然后,利用修正模态应变能法确定了硬涂层薄板的模态损耗因子的求解公式,并给出了基础激励作用下硬涂层复合结构振动响应的求解方法;最后,以局部涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层材料的悬臂板为研究对象进行了实例分析,分别基于所研发的方法和ANSYS软件,求解了局部涂敷硬涂层薄板的固有特性和频域响应。(2)面向局部涂敷硬涂层薄板结构,采用经典薄板理论对其进行解析建模。首先,利用正交多项式描述局部涂敷硬涂层薄板的位移场,基于能量法和拉格朗日方程推导其自由运动方程和在基础激励作用下的强迫振动方程,并给出了求解其固有特性和振动响应的方法。最后,以单面局部涂敷NiCrAlCoY+YSZ硬涂层材料的悬臂钛板为研究对象进行了实例分析,利用所研发的解析模型分析了局部涂层薄板的自由振动和强迫振动,并将结果与ANSYS分析结果以及实验结果进行了比对以证明所研发模型的合理性。(3)基于所建立的局部涂敷硬涂层复合结构的有限元模型,选定涂层位置、参数、面积以及形状为研究变量,确定各变量的合理取值,并自编MATLAB程序分析对应结构的动力学特性,以列表和绘图的形式进一步说明上述各变量对薄板振动特性的影响规律。研究结果表明,提高硬涂层材料参数和面积可以提高硬涂层复合结构的阻尼性能,并且改变涂层位置和形状对涂层复合结构的阻尼性能有一定影响。(4)以获得复合结构最大模态损耗因子为目标,以涂层位置为设计变量给出了硬涂层薄板阻尼优化模型并描述了利用多种群遗传算法求解该优化问题的方法。然后,基于所创建的优化模型和优化方法,在薄板上实施了硬涂层涂敷位置的优化,并用实验验证了优化结果的合理性。研究结果表明,在硬涂层涂敷面积一定的前提下,针对目标阶次的优化,可以较合理的确定硬涂层的涂敷位置以使整个复合板阻尼性能最优。(5)以涂层位置为设计变量,分别以基础激励作用下局部涂敷硬涂层复合结构指定位置的共振响应峰值倒数最大化(也即共振响应峰值最小)与非共振频率响应最小化为优化目标,建立了局部涂敷硬涂层复合结构的优化模型。进一步,提出利用多种群遗传算法求解该优化问题的方法。最后,以单面局部喷涂NiCrAlCoY+YSZ为涂层材料的悬臂板为研究对象,进行了实例分析,基于所创建的优化模型和优化方法,在薄板上实施了硬涂层涂敷位置的优化。本文的研究成果可为局部涂敷硬涂层复合结构的振动特性研究提供参考,也可为硬涂层复合结构的优化设计提供支持。
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