基于反推法的阻尼材料力学特性参数辨识

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硬涂层及粘弹性阻尼层是两种重要的阻尼材料,其中硬涂层可以在高温及高腐蚀环境下保持原有的阻尼特性,而粘弹性材料具有高的内阻尼因而减振效果良好。这两种阻尼材料在工程上都有所应用,对抑制结构件,尤其是薄壁结构件发挥着重要作用。为了更好地应用上述阻尼材料对结构件进行减振,必须有效辨识出阻尼材料的力学特性参数(储能模量和损耗因子)。硬涂层材料具有应变依赖性,而粘弹性材料具有频率依赖性,这使有效辨识出上述材料的力学特性参数成为一项具有挑战性的任务。本文以涂敷硬涂层和贴敷粘弹性阻尼层的薄板为对象,尝试采用反推法辨识硬涂层以及粘弹性材料力学特性参数,具体研究内容如下:首先,研究了基于频域数据反推辨识硬涂层力学特性参数的方法。给出了辨识原理,具体为:按照经典板理论创建了硬涂层复合板的解析模型;在不同激励幅度下对硬涂层复合板进行了共振频率及共振响应的测试;研发出基于灵敏度的匹配算法,并经过两次匹配计算实现了硬涂层参数的有效辨识。以涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层的钛板为例实践了所研发的方法。结果表明:在合理确定初值的前提下,所研发的辨识算法可快速收敛到待辨识的硬涂层材料参数。然后,研究了由自由振动衰减响应反推辨识硬涂层力学特性参数的方法。所研发的辨识原理如下:创建了硬涂层板有限元模型;测试硬涂层悬臂薄板的自由振动衰减响应,并给出获取响应包络线、即时共振频率和阻尼的方法;基于灵敏度原理实施匹配计算(仅需一次)。同样以涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层的钛板为对象进行了实例研究。结果表明:利用自由振动衰减响应辨识硬涂层参数的流程具有辨识过程简单、实施方便的特点。接着,研究了利用频响函数反推粘弹性材料力学特性参数的方法。考虑两种阻尼,推导了粘弹性复合结构频响函数的计算方法,采用锤击法获得弹性复合板的频响函数,给出了利用响应面法实现匹配计算的相关公式。继而,辨识出了 ZN-1型弹性材料的储能模量和损耗因子。将获得的结果与只考虑粘弹性材料阻尼时的辨识结果进行比较,证明了理论模型中同时考虑两种阻尼的重要性。最后,研究了基于分段扫频反推粘弹性材料分数阶导数模型的方法。给出了基础激励作用下粘弹性复合板振动响应的求解方法,提出了利用分段扫频以及非共振点处的数据辨识粘弹性材料分数阶导数模型的思想。在此基础上,辨识出了 ZN-1型粘弹性材料的分数阶导数模型参数。与基于频响函数辨识法相比,这种方法可同时由共振及非共振点数据进行粘弹性材料参数辨识。在硬涂层及粘弹性阻尼减振研究中,需要准确地引入阻尼材料的力学特性参数到分析模型,而本文给出了基于反推法辨识硬涂层及粘弹性阻尼层材料参数的方法。另外,本文所研发的辨识方法可适用于任何加装上述阻尼材料的结构,因而这对于促进硬涂层及粘弹性阻尼减振技术在工程上应用具有重要的意义。
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