薄壁構件硬塗層阻尼減振的多尺度模擬方法與主動設計

《薄壁構件硬塗層阻尼減振的多尺度模擬方法與主動設計》是依託大連理工大學,由韓清凱擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：薄壁構件硬塗層阻尼減振的多尺度模擬方法與主動設計
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：韓清凱

項目摘要

硬塗層在套用於航空發動機葉片等旋轉薄壁構件時，具有提高強度、阻尼減振的特殊效果，為解決這類關鍵結構件高周疲勞失效提供了新途徑。然而硬塗層微觀結構和表界面特性引起的能量耗損及其阻尼特性機制認識不清，無法實現硬塗層的強度、阻尼等性能的主動設計。本項目提出在雜交KMC/MD、表界面細觀力學、邊界積分方程、動力學試驗的基礎上，模擬硬塗層PVD製備工藝，採用不同尺度方法分析其表界面能量，研究塗層結構的強度和動力學特性，進行硬塗層結構的主動設計及最佳化。從而獲得硬塗層製備過程和塗層結構件整體力學行為的微觀、介觀和巨觀的綜合模擬方法，實現利用其阻尼能力提高關鍵薄壁結構件的減振，並面向振動特性、阻尼減振以及強度和壽命的綜合要求，實現多目標最佳化設計。本項目創新性地採用多尺度理論方法研究旋轉薄壁構件的硬塗層阻尼減振機理，實現有效的能量耗散並提高抗高周疲勞能力，對高端旋轉機械裝備結構可靠性與完整性具有重要意義。

結題摘要

硬塗層在套用於航空發動機葉片等旋轉薄壁構件時，具有提高強度、阻尼減振的特殊效果，為解決這類關鍵結構件高周疲勞失效提供了新途徑。然而硬塗層微觀結構和表界面特性引起的能量耗損及其阻尼特性機制認識不清，無法實現硬塗層的強度、阻尼等性能的主動設計。本項目針對以航空發動機葉片等為代表的旋轉薄壁構件硬塗層阻尼減振技術開展研究，提出多尺度研究方法，針對硬塗層阻尼機理及其影響因素展開了深入研究。 (1) 在微觀尺度，以鎂鋁合金結晶複合材料為例，提出了一種含多相的複雜分子模型構建方法和材料阻尼計算方法，從微觀尺度研究了鎂鋁合金結晶複合材料的阻尼機理以及第二相對阻尼的影響，獲得了阻尼隨溫度、頻率、應變的變化規律，分析單晶銅的阻尼機理及微觀缺陷對其阻尼的影響。該方法可用於硬塗層材料的阻尼設計。 (2) 針對採用大氣等離子噴塗方法製備陶瓷基硬塗層，提出了一種通過圖像處理提取硬塗層介觀表面微缺陷的方法與基於均勻化理論與有限元方法的硬塗層材料彈性模量分析方法和慮及塗層微觀裂紋面摩擦的硬塗層阻尼參數計算方法。該方法有效揭示了阻尼塗層耗能機理。進一步獲得了塗層儲能模量隨溫度的變化規律。考慮塗層缺陷特徵，建立了塗層材料簡化計算模型，研究了介觀缺陷對硬塗層力學及阻尼性能的影響。 (3) 在巨觀尺度，基於上述獲得的塗層材料力學參數，採用解析法和有限元結合的方法，提出了面向整體葉盤等結構的硬塗層材料參數多目標最佳化設計方法和硬塗層振動疲勞壽命分析方法，獲得了硬塗層對結構減振及疲勞壽命影響的基本規律，實現了硬塗層阻尼材料的主動設計。 本項目創新性地採用多尺度理論方法研究旋轉薄壁構件的硬塗層阻尼減振機理，從而實現硬塗層材料及結構的主動設計，達到了面向振動特性、阻尼減振以及強度和壽命的薄壁結構硬塗層阻尼材料綜合設計要求，對於提升高端旋轉機械裝備結構可靠性與完整性具有重要意義。