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复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计与优化方法

张波成 章健 张泽峰 扈静泽

张波成, 章健, 张泽峰, 等 . 复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计与优化方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(8): 1469-1475. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0512
引用本文: 张波成, 章健, 张泽峰, 等 . 复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计与优化方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(8): 1469-1475. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0512
ZHANG Bocheng, ZHANG Jian, ZHANG Zefeng, et al. Damping anti-vibration design and optimization method of composite skin with hard coating[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(8): 1469-1475. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0512(in Chinese)
Citation: ZHANG Bocheng, ZHANG Jian, ZHANG Zefeng, et al. Damping anti-vibration design and optimization method of composite skin with hard coating[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(8): 1469-1475. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0512(in Chinese)

复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计与优化方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0512
详细信息
    作者简介:

    张波成  男, 博士, 高级工程师。主要研究方向:飞行器气动弹性设计

    章健   男, 硕士研究生。主要研究方向:航空发动机整机动力学、旋转机械振动控制等

    通讯作者:

    张波成. E-mail: zhangbcnudt@163.com

  • 中图分类号: V229.7

Damping anti-vibration design and optimization method of composite skin with hard coating

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  • 摘要:

    针对民用飞机复材蒙皮的局部振动问题,提出复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计方法,并综合考虑涂覆硬涂层对蒙皮结构的附加质量和固有特性影响,对硬涂层减振性能进行多参数优化。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。优化算例表明,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计范围内,获得最优的减振性能。

     

  • 图 1  硬涂层-复材结构有限元模型及板单元

    Figure 1.  Finite element model and plate element of composite structure with hard coating

    图 2  复材蒙皮-硬涂层阻尼减振优化设计思路

    Figure 2.  Optimization concept for damping anti-vibration design of composite skin with hard coating

    图 3  复材蒙皮-硬涂层阻尼减振优化设计流程

    Figure 3.  Optimization process for damping anti-vibration design of composite skin with hard coating

    图 4  复材蒙皮结构模态振型与频率

    Figure 4.  Modal vibration shape and frequency of composite skin structure

    图 5  复材蒙皮局部共振

    Figure 5.  Local resonance of composite skin

    图 6  目标函数的优化过程

    Figure 6.  Optimization process of objective function

    表  1  复材蒙皮材料(T700)参数

    Table  1.   Parameters of compositeskin material(T700)

    参数 数值
    密度/(kg·m-3) 1800
    弹性模量(平行纤维方向)/GPa 115
    弹性模量(垂直纤维方向)/GPa 6.43
    泊松比(平行纤维方向) 0.28
    泊松比(垂直纤维方向) 0.34
    材料损耗因子 0.003
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    表  2  优化设计控制参数

    Table  2.   Control parameters for optimization design

    参数 数值
    结构质量相对变化限制值A 0.05
    固有频率相对变化限制值B 0.05
    硬涂层弹性模量上下限([Ec]min, [Ec]max)/GPa [1, 100]
    硬涂层损耗因子上下限([ηc]min, [ηc]max) [0.001, 0.1]
    涂层厚度上下限([hc]min, [hc]max)/mm [0.01, 1]
    增量步长比|dζ|/|ζ0| 0.1
    硬涂层材料密度/(kg·m-3) 5600
    硬涂层材料泊松比 0.3
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    表  3  无涂层和涂层优化前后模型的固有频率与振动响应结果对比

    Table  3.   Comparison of natural frequency and vibration response results among uncoated model, unoptimized coated model and optimized coated model

    方案 硬涂层材料
    弹性模量/GPa
    硬涂层材料
    损耗因子
    涂层厚
    度/mm
    结构
    质量/kg
    第1阶固有
    频率/Hz
    第2阶固有
    频率/Hz
    第3阶固有
    频率/Hz
    蒙皮局部共振
    响应峰值/mm
    共振峰值相对
    降低量/%
    无涂层状态 14.537 3.865 15.202 27.033 43.273
    涂层优化前方案 10 0.01 0.5 15.502 4.092 16.225 29.421 28.561 33.998
    涂层优化后方案 54.494 0.081 2 0.313 15.141 3.999 15.767 28.383 8.871 79.500
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    表  4  无涂层和涂层优化前后模型的约束参数相对变化量对比

    Table  4.   Comparison of relative variation of constraint parameters among uncoated model, unoptimized coated model and optimized coated model

    方案 结构质量相对
    变化量/%
    第1阶固有频率
    相对变化量/%
    第2阶固有频率
    相对变化量/%
    第3阶固有频率
    相对变化量/%
    涂层优化前方案 6.639 5.863 6.732 8.834
    涂层优化后方案 4.155 3.467 3.717 4.994
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  • 收稿日期:  2019-09-18
  • 刊出日期:  2020-08-20

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