CN111046487B - 一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料蒙皮结构减振设计方法，对象包括飞机复合材料蒙皮结构和涂敷在其表面的阻尼硬涂层。所述蒙皮结构使用碳纤维复合材料；所述硬涂层材料为主要成分为CrNiAlY合金粉末，采用空气等离子喷涂技术制备并喷涂在蒙皮结构单侧表面。本发明通过采用涂覆硬涂层的复合结构设计，实现飞机复材蒙皮结构的减振。

Description

一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法
技术领域
本发明属于飞机复材蒙皮结构技术领域，具体涉及一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法。
背景技术
随着民用飞机轻质、高负载的性能目标发展，要求蒙皮厚度进一步降低，导致其在满足气动外形的需求下，薄壁结构局部容易发生不利振动。蒙皮振动过大将影响机身的承载能力，甚至造成疲劳损伤和结构失效。传统避开共振的蒙皮结构方法不再适用，因此，需要研究蒙皮结构在复杂载荷作用下的共振响应控制方法。
近年来研究发现，金属基或陶瓷基硬涂层除具有耐高温、抗磨损等优势，还可以明显增强结构的阻尼能力，实现减振作用。由于其附加重量低、对结构固有特性影响较小，采用硬涂层对蒙皮薄壁结构进行阻尼减振具有较高的研究意义和工程应用前景。
针对飞机蒙皮结构，现有的减振方法主要包括结构优化法和附加阻尼法。前者常通过加厚、加筋等方法改变蒙皮几何构型，增强结构刚性、避免结构振动；后者一般通过在蒙皮表面粘贴粘弹性阻尼贴片，提高结构阻尼比，降低共振峰值。
现有的飞机蒙皮结构减振方法主要存在以下不足：(1)结构优化法改变蒙皮几何构型，一般重量会增加，而且需重新验证结构性能的稳定性，增加设计成本；(2)现有粘弹性阻尼贴片质量较大，会显著提高结构质量，降低飞机运行的经济性；并且贴片的附加质量会影响结构性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法，所述方法对发生不利振动的复材蒙皮结构开展仿真分析，通过温度、压强和原料比例的调节，控制硬涂层的弹性模量和材料损耗因子，对硬涂层的减振能力及其对蒙皮结构的刚度影响进行优化，制作优化减振性能的硬涂层，将硬涂层涂敷在蒙皮，完成具有减振性能的复材蒙皮结构，最后对涂敷硬涂层后的复材蒙皮结构进行振动特性仿真并与涂覆硬涂层之前的仿真结果进行对比分析；
进一步地，所述方法包括以下步骤：
步骤一、以飞机蒙皮结构局部发生不利振动为对象，对振动结构开展动力学建模，分析振动特性；
步骤二、基于有限元法和经典层合板理论，建立蒙皮结构和硬涂层的结构动力学方程，分析结构振动特性；
步骤三、根据步骤二中结构动力学方程，以共振峰值降低量最高为目标，以给定质量增加和固有频率变化范围为约束条件，通过可行方向法获得硬涂层材料性能参数和硬涂层厚度参数的最优组合；
步骤四：确定硬涂层涂敷范围和厚度，制作硬涂层，利用等离子喷涂技术对硬涂层进行涂敷，完成具有减振性能的复材蒙皮结构；
步骤五：对涂敷硬涂层后的复材蒙皮结构进行振动特性仿真对比分析；
进一步地，所所述步骤三中获得硬涂层材料性能参数和硬涂层厚度参数的最优组合的方法如下：通过设计硬涂层的材料弹性模量和损耗因子参数组合，涂覆更薄的涂层获得更高的共振峰值衰减，并将涂覆硬涂层带来的蒙皮结构质量增加与固有频率变化控制在设定范围内，获得最优的减振性能，具有最优的减振性能的硬涂层材料性能参数和硬涂层厚度参数组合为最优组合；
进一步地，所述硬涂层材料性能参数包括材料弹性模量和损耗因子；
进一步地，所述步骤一中振动特性包括：模态、频率、阻尼比以及共振振幅；
进一步地，所述步骤二中，建立蒙皮结构和硬涂层的结构动力学方程具体如下
式中，M(a)为复材蒙皮-硬涂层复合结构的整体质量矩阵，K*(a)为复刚度矩阵，w和f分别为有限元模型的横向位移向量和激振力向量；
进一步地，所述硬涂层厚度范围为0.3mm-0.4mm；
进一步地，所述硬涂层为CrNiAlY硬涂层，所述CrNiAlY硬涂层采用等离子喷涂技术制备并喷涂在蒙皮结构单侧表面；
进一步地，所述步骤一对振动结构开展动力学建模用于分析原始结构振动特性，模态、频率和振幅，同时分析振动特性结果还用于与完成步骤五中的减振结果进行对比分析；
本发明的有益效果如下：
1)、采取阻尼减振措施，提高了蒙皮结构的阻尼比，减低其共振响应；
2)、采用结构质量优化算法，确保硬涂层带来附加质量在可接受范围内；
3)、采用结构固有特性优化算法，确保硬涂层带来的蒙皮固有频率变化在可接受范围内。
附图说明
图1为本发明硬涂层-复材蒙皮结构示意图；
图2为本发明复材蒙皮结构的硬涂层阻尼减振流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
本发明提供一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法，该方法对象包括飞机复合材料蒙皮结构和涂敷在其表面的阻尼硬涂层。所述蒙皮结构使用碳纤维复合材料；所述硬涂层材料为主要成分为CrNiAlY合金粉末，采用空气等离子喷涂技术制备并喷涂在蒙皮结构单侧表面。本发明通过采用涂覆硬涂层的复合结构设计，实现飞机复材蒙皮结构的减振。
具体设计方案如下：
图1所示，为本发明所述方法最终的产品结构示意图。图中，1为复合材料蒙皮基体材料，2为CrNiAlY硬涂层，硬涂层材料主要成分为CrNiAlY合金粉末，采用等离子喷涂技术制备并喷涂在蒙皮结构单侧表面(即复合材料蒙皮基体材料1表面)。
图2所示为本发明所述方法的流程图，具体包括：
步骤一：针对民用飞机复材蒙皮结构局部发生不利振动，对振动结构开展动力学建模，分析振动特性，振动特性包括模态、频率、阻尼比以及共振振幅；
步骤二：基于有限元法和经典层合板理论建立复材蒙皮-硬涂层复合结构动力学方程，分析结构振动特性；
建立蒙皮结构和硬涂层的结构动力学方程具体如下：
式中，M(a)为复材蒙皮-硬涂层复合结构的整体质量矩阵，K*(a)为复刚度矩阵，w和f分别为有限元模型的横向位移向量和激振力向量
步骤三以共振峰值降低量最高为目标、给定质量增加和固有频率变化范围为约束条件，采用可行方向法求解获得硬涂层材料性能参数和涂层厚度参数的最佳组合结果，通过合理设计硬涂层的材料弹性模量和损耗因子参数组合，涂覆更薄的涂层获得更高的共振峰值衰减，并将涂覆硬涂层带来的蒙皮结构质量增加与固有频率变化控制在设定范围内，获得最优的减振性能；
步骤四：确定硬涂层涂敷范围和厚度，制作硬涂层，利用等离子喷涂技术对硬涂层进行涂敷，完成具有减振性能的复材蒙皮结构；
步骤五：对涂敷硬涂层后的复材蒙皮结构进行振动特性仿真对比分析。
本发明中一个具体实施方案：
针对民用飞机复材蒙皮结构局部振动问题，提出涂覆硬涂层的复材蒙皮阻尼减振方法。基于有限元法和经典层合板理论建立复材蒙皮-硬涂层复合结构动力学方程，并以共振峰值降低量最高为目标、给定质量增加和固有频率变化范围为约束条件，采用可行方向法求解获得硬涂层材料性能参数和涂层厚度参数的最佳组合结果。通过合理设计硬涂层的材料弹性模量和损耗因子参数组合，可涂覆更薄的涂层获得更高的共振峰值衰减，并将涂覆硬涂层带来的蒙皮结构质量增加与固有频率变化控制在设定范围内，获得最优的减振性能。
CrNiAlY硬涂层在制备过程中可通过温度、压强、原料比例等调节控制其弹性模量和材料损耗因子，协调涂覆硬涂层减振能力及其对蒙皮结构的刚度影响。涂层厚度范围为0.3mm-0.4mm。涂层不宜太厚，否则会大幅增加重量，但过轻则会削弱其阻尼能力，反复计算后确认在本例中0.3mm-0.4mm厚度的硬涂层可将两种影响降到最低。
具体过程如下：
1、复材蒙皮结构建模与振动特性分析
本实施例在未涂层条件下的复材蒙皮模型原结构振动响应特性，计算其前三阶模态频率以及在简谐面压力激励下的振动响应。有限元模型中，在蒙皮两端施加固定约束，在蒙皮上表面施加简谐变化的面压力，压强幅值为p＝1000Pa，激励频率为ω＝40Hz。其中，蒙皮使用T700碳纤维复合材料编织制成，铺层数目为5，单层厚度为0.2mm。模型一弯振型3.87Hz，二弯振型15.20Hz，三弯振型27.03Hz，复材蒙皮局部共振峰值为43.27mm。
2、硬涂层结构参数优设计
采用硬涂层阻尼减振优化方法，对该复材蒙皮-硬涂层复合结构的减振性能进行优化设计。以硬涂层的弹性模量、材料损耗因子和涂覆厚度为结构参数设计变量，在其允许变化范围内，通过可行方向法确定合理的参数组合，使蒙皮的局部共振响应峰值达到最低，并且将结构质量和固有频率变化控制在设定范围内。
对设计变量进行寻优设计，使表征振动衰减程度的目标函数qδ达到最低。经过60次的迭代后，目标函数收敛并达到最低，硬涂层结构设计变量获得稳定的最优解。
3、减振结果
如表1所示，为无涂层状态以及涂层后优化前与优化后条件下的结构质量、固有频率、局部振动响应峰值的结果对比。可以看出，涂覆硬涂层后，蒙皮的局部共振响应峰值有所下降，并且通过对硬涂层结构参数进行优化设计后，复合结构共振峰值相对下降量相比初始方案得到提高，硬涂层的减振性能明显增加。考察不同涂层方案下蒙皮结构的质量和固有频率相对于无涂层时的变化情况，可以看出，初始方案中硬涂层带来的质量增加的固有频率相对变化量均超过了5％，通过优化设计，不仅进一步降低了振动响应，并且将各项约束参数的相对变化量控制在给定设定范围内，验证了优化算法的有效性。
表1固有频率与振动响应结果对比
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法，其特征在于，所述方法对发生不利振动的复材蒙皮结构开展仿真分析，通过温度、压强和原料比例的调节，控制硬涂层的弹性模量和材料损耗因子，对硬涂层的减振能力及其对蒙皮结构的刚度影响进行优化，制作优化减振性能的硬涂层，将硬涂层涂敷在蒙皮，完成具有减振性能的复材蒙皮结构，最后对涂敷硬涂层后的复材蒙皮结构进行振动特性仿真并与涂覆硬涂层之前的仿真结果进行对比分析；
所述方法包括以下步骤：
步骤一、以飞机蒙皮结构局部发生不利振动为对象，对振动结构开展动力学建模，分析振动特性；
步骤二、基于有限元法和经典层合板理论，建立蒙皮结构和硬涂层的结构动力学方程，分析结构振动特性；
步骤三、根据步骤二中结构动力学方程，以共振峰值降低量最高为目标，以给定质量增加和固有频率变化范围为约束条件，通过可行方向法获得硬涂层材料性能参数和硬涂层厚度参数的最优组合；
步骤四：确定硬涂层涂敷范围和厚度，制作硬涂层，利用等离子喷涂技术对硬涂层进行涂敷，完成具有减振性能的复材蒙皮结构；
步骤五：对涂敷硬涂层后的复材蒙皮结构进行振动特性仿真对比分析；
所述步骤三中获得硬涂层材料性能参数和硬涂层厚度参数的最优组合的方法如下：通过设计硬涂层的材料弹性模量和损耗因子参数组合，涂覆更薄的涂层获得更高的共振峰值衰减，并将涂覆硬涂层带来的蒙皮结构质量增加与固有频率变化控制在设定范围内，获得最优的减振性能，具有最优的减振性能的硬涂层材料性能参数和硬涂层厚度参数组合为最优组合；
所述硬涂层材料性能参数包括材料弹性模量和损耗因子；
所述步骤一中振动特性包括：模态、频率、阻尼比以及共振振幅；
所述步骤二中，建立蒙皮结构和硬涂层的结构动力学方程具体如下：
式中，M(a)为复材蒙皮-硬涂层复合结构的整体质量矩阵，K*(a)为复刚度矩阵，w和f分别为有限元模型的横向位移向量和激振力向量；
所述硬涂层厚度范围为0.3mm-0.4mm；
所述硬涂层为CrNiAlY硬涂层，所述CrNiAlY硬涂层采用等离子喷涂技术制备并喷涂在蒙皮结构单侧表面；
所述步骤一对振动结构开展动力学建模用于分析原始结构振动特性，模态、频率和振幅，同时分析振动特性结果还用于与完成步骤五中的减振结果进行对比分析。
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