薄壁构件硬涂层阻尼减振的多尺度模拟方法与主动设计

When hard coating is applied to aero-engine blades and other rotating thin-walled structures, it can increase strength and reduce vibration, providing a new way to address the high cycle fatigue failure of such key elements. However, because the mechanism of energy dissipation and damping characteristics caused by the hard coating microstructure and properties of interface has not been recognized, the active design of hard coating and damping properties can not be achieved. On the basis of hybridization KMC/MD, interface micromechanics, boundary integral equation and kinetic experiments, the project simulates hard PVD coating manufacturing process, uses different methods to analyze its interface energy, researches the strength and dynamics of the coating structure, processes the active design and optimization of hard coating structure, to obtain micro-, meso- and macro- integrated simulation methods of hard coating manufacturing process and overall mechanical behavior, use its damping capacity to improve the damping effect of critical thin-walled structures, and complete multi-objective optimization design meeting the comprehensive requirements of vibration characteristics, damping, strength and life. The project uses multi-scale theoretical methods to study hard coating damping mechanism of rotating thin-walled components in a innovative way, achieves effective energy dissipation and improves the capability to resist high cycle fatigue. It is significant to the reliability and integrity of high-end rotating machinery structure.

硬涂层在应用于航空发动机叶片等旋转薄壁构件时，具有提高强度、阻尼减振的特殊效果，为解决这类关键结构件高周疲劳失效提供了新途径。然而硬涂层微观结构和表界面特性引起的能量耗损及其阻尼特性机制认识不清，无法实现硬涂层的强度、阻尼等性能的主动设计。本项目提出在杂交KMC/MD、表界面细观力学、边界积分方程、动力学试验的基础上，模拟硬涂层PVD制备工艺，采用不同尺度方法分析其表界面能量，研究涂层结构的强度和动力学特性，进行硬涂层结构的主动设计及优化。从而获得硬涂层制备过程和涂层结构件整体力学行为的微观、介观和宏观的综合模拟方法，实现利用其阻尼能力提高关键薄壁结构件的减振，并面向振动特性、阻尼减振以及强度和寿命的综合要求，实现多目标优化设计。本项目创新性地采用多尺度理论方法研究旋转薄壁构件的硬涂层阻尼减振机理，实现有效的能量耗散并提高抗高周疲劳能力，对高端旋转机械装备结构可靠性与完整性具有重要意义。

硬涂层在应用于航空发动机叶片等旋转薄壁构件时，具有提高强度、阻尼减振的特殊效果，为解决这类关键结构件高周疲劳失效提供了新途径。然而硬涂层微观结构和表界面特性引起的能量耗损及其阻尼特性机制认识不清，无法实现硬涂层的强度、阻尼等性能的主动设计。本项目针对以航空发动机叶片等为代表的旋转薄壁构件硬涂层阻尼减振技术开展研究，提出多尺度研究方法，针对硬涂层阻尼机理及其影响因素展开了深入研究。.(1) 在微观尺度，以镁铝合金结晶复合材料为例，提出了一种含多相的复杂分子模型构建方法和材料阻尼计算方法，从微观尺度研究了镁铝合金结晶复合材料的阻尼机理以及第二相对阻尼的影响，获得了阻尼随温度、频率、应变的变化规律，分析单晶铜的阻尼机理及微观缺陷对其阻尼的影响。该方法可用于硬涂层材料的阻尼设计。.(2) 针对采用大气等离子喷涂方法制备陶瓷基硬涂层，提出了一种通过图像处理提取硬涂层介观表面微缺陷的方法与基于均匀化理论与有限元方法的硬涂层材料弹性模量分析方法和虑及涂层微观裂纹面摩擦的硬涂层阻尼参数计算方法。该方法有效揭示了阻尼涂层耗能机理。进一步获得了涂层储能模量随温度的变化规律。考虑涂层缺陷特征，建立了涂层材料简化计算模型，研究了介观缺陷对硬涂层力学及阻尼性能的影响。.(3) 在宏观尺度，基于上述获得的涂层材料力学参数，采用解析法和有限元结合的方法，提出了面向整体叶盘等结构的硬涂层材料参数多目标优化设计方法和硬涂层振动疲劳寿命分析方法，获得了硬涂层对结构减振及疲劳寿命影响的基本规律，实现了硬涂层阻尼材料的主动设计。.本项目创新性地采用多尺度理论方法研究旋转薄壁构件的硬涂层阻尼减振机理，从而实现硬涂层材料及结构的主动设计，达到了面向振动特性、阻尼减振以及强度和寿命的薄壁结构硬涂层阻尼材料综合设计要求，对于提升高端旋转机械装备结构可靠性与完整性具有重要意义。