CN106442727B - 一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法及系统 - Google Patents

一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法及系统，方法包括：建立硬涂层复合薄壳结构的有限元模型；确定辨识硬涂层材料参数所需的实验数据；确定储能模量的初值；确定不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值；确定损耗因子的初值；确定不同激励幅度下硬涂层材料的损耗因子的精确值；计算不同激励幅度下的最大等效应变值；绘制硬涂层材料力学参数的应变依赖性表征曲线。系统包括：PCB力锤、振动台激振系统、LMS测试系统、工作站、激光传感器。本发明采用将实验测得的固有频率及共振响应同理论计算值相匹配的反推法，有效辨识硬涂层材料的储能模量及损耗因子，分别给出了确定硬涂层储能模量及损耗因子初值的方法，大幅度提高计算效率。

Description

一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法及系统
技术领域
本发明涉及材料力学技术领域，一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法及系统。
背景技术
硬涂层是指由金属基、陶瓷基或两者的混合制成的涂层材料，目前主要用于热障、抗摩擦和抗腐蚀。近年来的研究发现，硬涂层可以在高温、高腐蚀环境下降低薄壳构件的振动应力，因而硬涂层阻尼减振研究受到了越来越广泛关注。为了更好地实施硬涂层阻尼减振，需要创建硬涂层复合结构的动力学分析模型，基于该分析模型来实现对硬涂层减振性能的有效预估与设计。而创建这样的模型的关键是获得硬涂层材料，诸如储能模量(杨氏模量)、损耗因子等力学特性参数。
大量的研究已经发现硬涂层材料具有应变依赖性，即硬涂层的储能模量、损耗因子会随着复合结构的应变响应幅度发生改变。硬涂层材料的应变依赖特性，也会使涂敷硬涂层的复合结构表现出变刚度、变阻尼的非线性振动特性。此外，硬涂层材料还具有受涂敷工艺影响明显的特点，即同一种硬涂层材料，在不同制备工艺下，会表现出不同的力学特性参数。可见，硬涂层材料的上述特点致使辨识硬涂层材料力学特性参数具有很大的挑战性和迫切性。
针对硬涂层材料力学特性参数辨识需求，目前已存在几种方法，分别为压痕法、弯曲测试法等。但是，上述方法需要损伤其材料结构，不易实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法及系统。
本发明的技术方案：
一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法，包括：
步骤1、建立硬涂层复合薄壳结构的有限元模型；
步骤2、对硬涂层复合薄壳结构进行锤击测试、定频测试、扫频测试，确定辨识硬涂层材料参数所需的实验数据，包括各阶次模态阻尼比、固有频率、振动响应；
步骤3、根据实验数据中的各阶次固有频率确定储能模量的初值；
步骤4、根据实验数据中的某一阶次固有频率确定不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值；
步骤5、根据实验数据中的各阶次模态阻尼比确定损耗因子的初值；
步骤6、根据实验数据中的某一阶次振动响应确定不同激励幅度下硬涂层材料的损耗因子的精确值；
步骤7、根据不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值和损耗因子的精确值，计算不同激励幅度下的最大等效应变值；
步骤8、以不同激励幅度下最大等效应变为横坐标，分别以硬涂层材料的储能模量和损耗因子为纵坐标，绘制硬涂层材料力学参数的应变依赖性表征曲线。
所述步骤2，包括：
步骤2-1、对涂层前后的薄壳结构进行锤击实验，获得涂层前后的薄壳结构各阶次的模态阻尼比；
步骤2-2、根据锤击实验得到的涂层后的薄壳结构的频响函数，初步确定硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率；
步骤2-3、在不同激励幅度下对硬涂层复合薄壳结构进行扫频测试，正扫反扫各一次，最终确定不同激励幅度下硬涂层复合薄壳结构的某一阶次固有频率；
步骤2-4、在步骤2-3最终确定的硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率处进行定频测试，确定不同激励幅度下每阶次固有频率处的振动响应。
所述步骤3，包括：
步骤3-1、在硬涂层材料力学特性参数范围内选取硬涂层材料的储能模量参考值E，带入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前n阶次固有频率λ；
步骤3-2、判断计算得到的硬涂层复合薄壳结构的前n阶次固有频率λFEM与扫频测试得到的相应阶次固有频率λEXP的偏差是否满足收敛条件，是，则当前的硬涂层材料的储能模量参考值为储能模量初值E0，并执行步骤4；否则，执行步骤3-3；
步骤3-3、计算灵敏度矩阵S和残差Δλ，根据当前硬涂层材料的储能模量参考值Ej-1以及公式Ej＝Ej-1-STΔλ迭代产生新的储能模量参考值Ej，返回步骤3-2。
所述步骤4，包括：
步骤4-1、将储能模量初值E0带入硬涂层薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前n阶次中某阶次的固有频率；
步骤4-2、分别判断计算得到的每个阶次的固有频率λFEM与不同激励幅度下的相应阶次扫频测试得到的固有频率λEXP的偏差是否满足收敛条件，是，则当前储能模量为某激励幅度下的储能模量的精确值Eε；否则，计算灵敏度S和残差Δλ，根据当前硬涂层的储能模量Ei-1以及公式Ei＝Ei-1-STΔλ，迭代产生新的储能模量Ei继续判断。
所述步骤5具体是根据涂层前后的薄壳结构各阶次的模态阻尼比确定薄壳结构各阶次损耗因子，再将各阶次损耗因子取平均值作为损耗因子初值η。
所述步骤6，包括：
步骤6-1、将损耗因子初值η和某激励幅度下对应的储能模量Eε，带入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前n阶次中某阶次的振动响应bFEM；
步骤6-2、分别判断计算得到的某阶次的振动响应bFEM与定频测试确定的不同激励幅度下的相应阶次振动响应bEXP的偏差是否满足收敛条件，是，则当前的损耗因子为某激励幅度下的损耗因子的精确值ηε；否则，计算灵敏度矩阵S和残差Δb，根据当前硬涂层材料的损耗因子ηi-1以及公式ηi＝ηi-1-STΔb迭代产生新的损耗因子ηi继续判断。
所述步骤7具体是将不同激励幅度下确定的储能模量的精确值Eε和损耗因子的精确值ηε带入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到不同激励幅度下对应的最大等效应变ε。
所述的方法采用的辨识硬涂层材料力学特性参数的系统，包括：
PCB力锤：用于对涂层前后薄壳结构进行锤击测试，并通过PCB信号传输线将锤击信号传输至LMS测试系统；
振动台激振系统；通过夹具将硬涂层薄壳结构固定，对涂层前后的薄壳结构件进行定频、扫频测试中施加不同激励幅度的加速度激励；
LMS测试系统：用于锤击测试、定频测试、扫频测试中振动信号的提取及对振动信号进行分析处理，以获得各阶次模态阻尼比、固有频率、振动响应；
工作站：用于根据LMS测试系统的分析处理结果辨识硬涂层材料参数；
激光传感器：定频测试、扫频测试中采集硬涂层复合薄壳结构某一点在某一方向上的速度信号，并发送给LMS测试系统。
有益效果：
硬涂层材料的储能模量、损耗因子等力学特性参数受制备工艺影响明显，且具有应变依赖性，这给有效辨识硬涂层材料力学特性参数带来很大的困难，既然辨识硬涂层材料参数的目标就是为了建模分析，直接利用研究对象进行辨识，可以保证辨识参数完全符合所研发的模型，则可有效避免这种尴尬。本发明采用将实验测得的固有频率及共振响应同理论计算值相匹配的反推法，可有效辨识硬涂层材料的储能模量及损耗因子。在应用反推法进行硬涂层力学特性参数辨识时，分别给出了确定硬涂层储能模量及损耗因子初值的方法，可大幅度提高计算效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的硬涂层复合薄壳结构的有限元模型图；
图2是本发明具体实施方式的
图3是本发明具体实施方式的扫频瀑布图以及定频瀑布图，(a)为扫频瀑布图，(b)为定频瀑布图；
图4是本发明具体实施方式的硬涂层材料参数的辨识结果，(a)为硬涂层材料的储能模量，(b)为硬涂层材料的损耗因子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做详细说明。
本实施方式以Ti-6Al-4V薄壳结构作为基体，以NiCoCrAlY+YSZ为硬涂层材料，进行硬涂层材料力学特性参数辨识，即硬涂层复合薄壳结构的储能模量和损耗因子辨识。材料参数如表1：
表1薄壳结构及硬涂层的几何及材料参数
本实施方式采用如下辨识硬涂层材料力学特性参数的系统进行硬涂层材料力学特性参数辨识，框图如图2所示，包括：
PCB力锤：用于对涂层前后薄壳结构进行锤击测试，并通过PCB信号传输线将锤击信号传输至LMS测试系统；
振动台激振系统：通过夹具将硬涂层薄壳结构固定，对涂层前后的薄壳结构件进行定频、扫频测试中施加不同激励幅度的加速度激励；
LMS测试系统：用于锤击测试、定频测试、扫频测试中振动信号的提取及对振动信号进行分析处理，以获得各阶次模态阻尼比、固有频率、振动响应；
工作站：用于根据LMS测试系统的分析处理结果辨识硬涂层材料参数；工作站中运行有MATLAB计算软件和ANSYS有限元软件；
激光传感器：定频测试、扫频测试中采集硬涂层复合薄壳结构某一点在某一方向上的速度信号，并发送给LMS测试系统。
本实施方式提供一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法，包括：
步骤1、利用工作站中运行的ANSYS有限元软件按照表1中的参数，建立如图1所示的硬涂层复合薄壳结构的有限元模型；
步骤2、通过PCB力锤对硬涂层复合薄壳结构进行锤击测试、通过振动台激振系统对硬涂层复合薄壳结构进行定频测试、扫频测试，利用LMS测试系统分析确定辨识硬涂层材料参数所需的实验数据，包括各阶次模态阻尼比、固有频率、振动响应；
如图3(a)、(b)分别为本实施方式的扫频瀑布图、定频瀑布图。从图3(a)中可以确定结构在1g激励幅度下第6阶精确的固有频率为1263.13Hz，从图3(b)中可以确定结构在该固有频率下的振动响应值为0.05m/s。
所述步骤2，包括：
步骤2-1、对涂层前后的薄壳结构进行锤击实验，获得涂层前后的薄壳结构各阶次的模态阻尼比，见表2；
表2锤击法测得的涂层前的前6阶模态阻尼比
步骤2-2、根据锤击实验得到的涂层后的薄壳结构的频响函数，初步确定硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率，见表3；
表3锤击法测得的涂层后薄板的前6阶固有频率和模态阻尼比
步骤2-3、在不同激励幅度下对硬涂层复合薄壳结构进行扫频测试，正扫反扫各一次，最终确定不同激励幅度下硬涂层复合薄壳结构第6阶次的固有频率，见表4；
表4不同激励幅度下涂层后薄板第6阶固有频率
步骤2-4、在步骤2-3最终确定的硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率处进行定频测试，确定不同激励幅度下每阶次固有频率处的振动响应，见表5。
表5不同激励幅度下涂层后薄板第6阶共振响应
步骤3、根据实验数据中的各阶次固有频率确定储能模量的初值为54.091GPa；
所述步骤3，包括：
步骤3-1、在硬涂层材料力学特性参数范围内选取硬涂层材料的储能模量参考值60GPa，带入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前6阶固有频率；
步骤3-2、判断计算得到的硬涂层复合薄壳结构的前6阶次固有频率与扫频测试得到的相应阶次固有频率的偏差是否满足误差为5％的收敛条件，是，则当前的硬涂层材料的储能模量参考值为储能模量初值，并执行步骤4；否则，执行步骤3-3；
步骤3-3、计算灵敏度矩阵S和残差Δλ，根据当前硬涂层材料的储能模量参考值Ej-1以及公式Ej＝Ej-1-STΔλ迭代产生新的储能模量参考值Ej，返回步骤3-2。
步骤4、根据实验数据中的第6阶固有频率确定不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值，见表6；
表6硬涂层储能模量的精确值
所述步骤4，包括：
步骤4-1、将储能模量初值54.091GPa带入硬涂层薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的第6阶固有频率；
步骤4-2、分别判断计算得到的第6阶固有频率λFEM与不同激励幅度下的相应阶次扫频测试得到的固有频率λEXP的偏差是否满足误差为1％的收敛条件，是，则当前储能模量为某激励幅度下的储能模量的精确值Eε；否则，计算灵敏度S和残差Δλ，根据当前硬涂层的储能模量Ei-1以及公式Ei＝Ei-1-STΔλ，迭代产生新的储能模量Ei继续判断。
步骤5、根据实验数据中的各阶次模态阻尼比确定损耗因子的初值；具体是根据涂层前后的薄壳结构各阶次的模态阻尼比确定薄壳结构各阶次损耗因子，再将各阶次损耗因子取平均值作为损耗因子初值，损耗因子的初值为0.0192。
步骤6、根据实验数据中的第6阶振动响应确定不同激励幅度下硬涂层材料的损耗因子的精确值，见表7；
表7硬涂层损耗因子的精确值
所述步骤6，包括：
步骤6-1、将损耗因子初值0.0192和某激励幅度下对应的储能模量，带入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构第6阶振动响应bFEM；
步骤6-2、分别判断计算得到的某阶次的振动响应bFEM与定频测试确定的不同激励幅度下的相应阶次振动响应bEXP的偏差是否满足误差为1％的收敛条件，是，则当前的损耗因子为某激励幅度下的损耗因子的精确值ηε；否则，计算灵敏度矩阵S和残差Δb，根据当前硬涂层材料的损耗因子ηi-1以及公式ηi＝ηi-1-STΔb迭代产生新的损耗因子ηi继续判断。
步骤7、根据不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值和损耗因子的精确值，计算不同激励幅度下的最大等效应变值，见表8；
表8硬涂层最大等效应变
具体是将不同激励幅度下确定的储能模量的精确值Eε和损耗因子的精确值ηε带入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到不同激励幅度下对应的最大等效应变ε。
步骤8、以不同激励幅度下最大等效应变为横坐标，分别以硬涂层材料的储能模量和损耗因子为纵坐标，绘制硬涂层材料力学参数的应变依赖性表征曲线，见图4(a)、(b)。从图中可以看出，利用此方法可准确有效的辨识硬涂层的材料力学特性参数，同时也捕捉到了硬涂层参数随着应变幅度的变化而发生相应改变的特点。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行同等修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所做的均等变换和修改，都应涵盖在本发明范围内。

Claims (4)

1.一种辨识硬涂层材料力学特性参数的方法，其特征在于，包括：
步骤1、建立硬涂层复合薄壳结构的有限元模型；
步骤2、对硬涂层复合薄壳结构进行锤击测试、定频测试、扫频测试，确定辨识硬涂层材料参数所需的实验数据，包括各阶次模态阻尼比、固有频率、振动响应；
步骤3、根据实验数据中的各阶次固有频率确定储能模量的初值；
步骤4、根据实验数据中的某一阶次固有频率确定不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值；
步骤5、根据实验数据中的各阶次模态阻尼比确定损耗因子的初值；
步骤6、根据实验数据中的某一阶次振动响应确定不同激励幅度下硬涂层材料的损耗因子的精确值；
步骤7、根据不同激励幅度下硬涂层材料的储能模量的精确值和损耗因子的精确值，计算不同激励幅度下的最大等效应变；
步骤8、以不同激励幅度下最大等效应变为横坐标，分别以硬涂层材料的储能模量和损耗因子为纵坐标，绘制硬涂层材料力学参数的应变依赖性表征曲线；
所述步骤3，包括：
步骤3-1、在硬涂层材料力学特性参数范围内选取硬涂层材料的储能模量参考值E，代入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前n阶次固有频率λ；
步骤3-2、判断计算得到的硬涂层复合薄壳结构的前n阶次固有频率λFEM与扫频测试得到的相应阶次固有频率λEXP的偏差是否满足收敛条件，是，则当前的硬涂层材料的储能模量参考值为储能模量初值E0，并执行步骤4；否则，执行步骤3-3；
步骤3-3、计算灵敏度矩阵S和残差Δλ，根据当前硬涂层材料的储能模量参考值Ej-1以及公式Ej＝Ej-1-STΔλ迭代产生新的储能模量参考值Ej，返回步骤3-2；
所述步骤4，包括：
步骤4-1、将储能模量初值E0代入硬涂层薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前n阶次中某阶次的固有频率；
步骤4-2、分别判断计算得到的每个阶次的固有频率λFEM与不同激励幅度下的相应阶次扫频测试得到的固有频率λEXP的偏差是否满足收敛条件，是，则当前储能模量为某激励幅度下的储能模量的精确值Eε；否则，计算灵敏度S和残差Δλ，根据当前硬涂层的储能模量Ei-1以及公式Ei＝Ei-1-STΔλ，迭代产生新的储能模量Ei继续判断；
所述步骤5具体是根据涂层前后的薄壳结构各阶次的模态阻尼比确定薄壳结构各阶次损耗因子，再将各阶次损耗因子取平均值作为损耗因子初值η；
所述步骤6，包括：
步骤6-1、将损耗因子初值η和某激励幅度下对应的储能模量Eε，代入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到硬涂层复合薄壳结构的前n阶次中某阶次的振动响应bFEM；
步骤6-2、分别判断计算得到的某阶次的振动响应bFEM与定频测试确定的不同激励幅度下的相应阶次振动响应bEXP的偏差是否满足收敛条件，是，则当前的损耗因子为某激励幅度下的损耗因子的精确值ηε；否则，计算灵敏度矩阵S和残差Δb，根据当前硬涂层材料的损耗因子ηi-1以及公式ηi＝ηi-1-STΔb迭代产生新的损耗因子ηi继续判断。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2，包括：
步骤2-1、对涂层前后的薄壳结构进行锤击实验，获得涂层前后的薄壳结构各阶次的模态阻尼比；
步骤2-2、根据锤击实验得到的涂层后的薄壳结构的频响函数，初步确定硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率；
步骤2-3、在不同激励幅度下对硬涂层复合薄壳结构进行扫频测试，正扫反扫各一次，最终确定不同激励幅度下硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率；
步骤2-4、在步骤2-3最终确定的硬涂层复合薄壳结构的各阶次固有频率处进行定频测试，确定不同激励幅度下每阶次固有频率处的振动响应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7具体是将不同激励幅度下确定的储能模量的精确值Eε和损耗因子的精确值ηε代入硬涂层复合薄壳结构的有限元模型中，通过有限元分析计算得到不同激励幅度下对应的最大等效应变ε。
4.权利要求1所述的方法采用的辨识硬涂层材料力学特性参数的系统，其特征在于，包括：
PCB力锤：用于对涂层前后薄壳结构进行锤击测试，并通过PCB信号传输线将锤击信号传输至LMS测试系统；
振动台激振系统：通过夹具将硬涂层薄壳结构固定，对涂层前后的薄壳结构件进行定频、扫频测试中施加不同激励幅度的加速度激励；
LMS测试系统：用于锤击测试、定频测试、扫频测试中振动信号的提取及对振动信号进行分析处理，以获得各阶次模态阻尼比、固有频率、振动响应；
工作站：用于根据LMS测试系统的分析处理结果辨识硬涂层材料参数；
激光传感器：定频测试、扫频测试中采集硬涂层复合薄壳结构某一点在某一方向上的速度信号，并发送给LMS测试系统。
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