基于振动测试的硬涂层材料力学性能参数的识别方法研究

论文摘要

涂层技术广泛应用于航空、航天、车辆、机床等领域。一般地,涂层处理后的结构具有较高硬度同时又可以耐高温、耐腐蚀,而且由于涂层内部微小颗粒之间的内摩擦,部分涂层还可起到阻尼减振的作用。针对涂敷硬涂层材料(即陶瓷基或金属基)的结构系统,在进行动力学分析、结构性能预测及优化时,通常需要准确获得硬涂层材料的力学特性参数,包括弹性模量和损耗因子。本文主要研究基于振动测试硬涂层材料力学性能参数的识别方法,主要内容包括：(1)基于Oberst梁理论,针对单面涂敷阻尼材料的试件,推导出涂层材料力学性能参数的振动梁法公式,并且按照美国材料协会的标准,详细叙述实验系统和测试流程。(2)基于振动梁法测试原理及流程,采用力锤敲击,创建测试NiCrAlY材料的力学特性参数实验系统,并且对测试过程中可能产生的误差以及振动梁法参数识别公式的敏感性进行了分析。(3)硬涂层材料力学特性参数随应变变化,基于单位体积上能量储存和耗散,把硬涂层材料力学特性参数考虑成储能模量、耗能模量,通过应变能比与固有频率、涂层厚度、涂层密度间的关系,推导出硬涂层材料的储能模量、耗能模量的识别公式。(4)基于能量法原理及测试流程,采用振动台基础激励扫频,施加不同的加速度激励,测试每个加速度激励下光梁和NiCrAlY复合梁的固有频率、损耗因子,利用欧拉梁理论,建立根部最大应变与位移的关系,对应不同加速度激励,建立固有频率、损耗因子与应变的关系,通过能量法公式识别NiCrAlY材料的储能模量、耗能模量。由于目前没有统一的标准测试硬涂层材料的力学特性参数,因此,本研究具有创新性。对于实现测试精度高、重复性好、操作简单的测试硬涂层材料力学特性参数的合理方法具有重要价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 硬涂层材料力学特性参数识别方法综述
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 基于振动梁法硬涂层材料力学特性参数识别原理
• 2.1 引言
• 2.2 单面涂层振动梁法公式的推导
• 2.3 振动梁法的实验方法
• 2.4 振动梁法测试步骤
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于振动梁法的硬涂层材料NrCrAlY的参数识别
• 3.1 引言
• 3.2 实验试件
• 3.3 测试实验布置与实验系统
• 3.3.1 锤击法实验
• 3.3.2 实验系统
• 3.3.3 实验步骤
• 3.3.4 光梁测试结果
• 3.3.5 NiCrAlY复合梁测试结果
• 3.4 硬涂层材料的力学性能参数的识别结果
• 3.5 实验与有限元结果比较
• 3.6 测试误差分析
• 3.7 测试参数对识别结果的敏感性分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于能量法的硬涂层材料力学特性参数的识别原理
• 4.1 引言
• 4.2 随应变变化的硬涂层材料力学性能参数识别原理
• 4.2.1 硬涂层材料储能模量的识别
• 4.2.2 硬涂层材料耗能模量的识别
• 4.3 基于能量法测试流程
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于能量法的硬涂层材料NiCrAlY力学特性参数识别
• 5.1 引言
• 5.2 实验试件
• 5.3 NiCrAlY测试实验布置与实验系统
• 5.3.1 基础激励扫频实验
• 5.3.2 实验系统
• 5.4 基于应变能法的实验步骤
• 5.5 应变与位移的关系曲线
• 5.6 测试数据与结果分析
• 5.6.1 光梁测试结果
• 5.6.2 NiCrAlY复合梁测试结果
• 5.7 非线性的存在
• 5.8 基于能量法NiCrAlY材料力学参数识别
• 5.9 识别结果与分析
• 5.10 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A：频响函数
• 附录B：Euler-Bernoulli梁各阶模态的应变解析表达式
• 附录C：Euler-Bernoulli梁按各阶模态振动时最大应变的获取方法