[发明专利]一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法

说明书

本发明提供了一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法。本发明基于多层硬涂层截面的SEM电镜图，通过Matab编程、AI和CAD软件相结合提取涂层SEM电镜图中的主要微观结构特征孔隙和裂纹，并将上述特征导入Abaqus中建立二维有限元模型，进而采用内聚力单元cohesive模拟涂层内部裂纹和界面裂纹，并通过对有限元二维模型进行正弦循环加载的方式求得多层硬涂层的阻尼损耗因子。本发明提供的方法同时考虑了内部孔隙、裂纹以及界面裂纹，求得阻尼损耗因子结果较为准确，同时可根据此二维有限元模型探究硬涂层微观参数对阻尼性能的影响，为多层硬涂层的主动设计提供理论基础。

技术领域

本发明属于多层硬涂层阻尼仿真分析技术领域，涉及一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法，具体为一种模拟多层硬质涂层内部裂纹与界面裂纹并计算其阻尼损耗因子的有限元分析方法。

背景技术

硬涂层主要是指金属基、陶瓷基涂层以及金属和陶瓷混合而成的复合涂层，相比于橡胶、粘弹性材料等有机高分子软涂层，其在耐高温、耐腐蚀、抗冲刷、抗辐射等领域均有表现出优异的性能，而且其能在不改变结构特性的前提下，提高结构的表面性能，改善结构的机械特性。近年来试验研究发现硬涂层同时还表现出优异的阻尼性能，在薄壁机构如飞机发动机叶片表面，这种阻尼性能表现更为突出。试验研究发现硬涂层的这种阻尼能力主要来源于其微观结构，微观结构中存在大量裂纹以及界面成为其能量耗散的主要来源。随着实际应用对阻尼性能的要求越来越高，具有更好阻尼性能的多层硬涂层结构逐渐受到人们的关注，相比与基体硬涂层复合结构，基体多层硬涂层的微观结构更为复杂，其内部断面形貌表现出复杂的界面和微观结构，存在着不同涂层间的层间裂纹、涂层与基底的宏观界面、涂层内部的层状界面、孔隙等，这些复杂的微观和介观结构组成，是实现其阻尼性能的重要基础。因此从微观结构上研究硬涂层结构特征参数对多层硬涂层阻尼性能的影响，有利于下一步进行多层硬涂层的优化设计。

目前对硬涂层复合结构的阻尼损耗因子测试对集中于试验测试和理论分析，如东北大学的孙伟(公开号：CN103528901A)等人发明了一种测试硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼的装置及方法，具体是采用激光测振仪、数据采集分析仪等实现了对硬涂层复合结构振动特性测试；中国商飞技术研究中心(公开号：CN111046487A)提出了一种基于动力学方程的硬涂层减振优化设计方法，具体为对硬涂层复合结构进行动力学建模和通过制备工艺调节硬涂层相关参数实现对硬涂层复合结构的优化设计。

现有的多层硬涂层阻尼特性研究存在以下不足：(1)研究多集中于宏观的试验应用，多层硬涂层复合结构振动特性参数测试过程较为复杂；(2)通过理论法计算多层硬涂层阻尼损耗因子时，未考虑层间耗散作用，导致计算结果误差较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种同时考虑多层硬涂层内部裂纹与界面裂纹的有限元阻尼损耗因子计算方法，基于多层硬涂层的微观结构通过有限元软件Abaqus建立其二维有限元模型，仿真计算过程中考虑层间耗散作用，提高计算准确度。本发明提供的方法可以指导下一步多层硬涂层中的微观结构参数对其阻尼性能的影响，为下一步多层硬涂层的微观结构参数匹配与优化设计提供理论基础。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种考虑层间耗散的多层硬涂层阻尼损耗因子计算方法，包括以下步骤：

(1)基于多层硬涂层的SEM电镜图，通过Matlab进行灰度二值化处理提取涂层的孔隙特征，得到二值化图像；采用Matlab中的高斯模糊和中值滤波命令将所得二值化图像中的噪点去除，并利用AI图像处理软件将去除噪点后的孔隙特征转换为可编辑的矢量轮廓。

(2)在步骤(1)得到的孔隙矢量轮廓的基础上，根据多层硬涂层的SEM电镜图采用CAD添加涂层的裂纹特征，包括涂层内部裂纹和界面裂纹，其中将长条形孔隙视为裂纹处理。