[发明专利]一种复合材料蒙皮结构的硬涂层阻尼减振方法

说明书

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。

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