基于自由振动衰减信号包络线法辨识硬涂层复合结构的阻尼特性

    硬涂层是指由金属基、陶瓷基或两者的混合制成的涂层材料，涂层具有较高硬度同时又可以耐高温、耐腐蚀［1］。硬涂层用于阻尼减振是最近几年才被发现，已在航空、航天、车辆、机床等领域中得到应用。对硬涂层复合结构进行阻尼测试是验证阻尼模型正确性、检验阻尼减振效果以及实施阻尼结构优化设计的重要技术基础。

    用于表征机械结构系统阻尼特性的参数包括比阻尼、相位差角、对数衰减率、品质因子的倒数、损耗因子、结构阻尼率、模态阻尼比、阻尼系数等［2］。其中模态阻尼比是振动模态分析和各种动力学分析中的重要参数之一，是动力学分析中最主要的表征阻尼特性的方式。在工程实际中，人们通常通过参数识别理论由实测的试验数据识别出结构的模态阻尼比。识别的方法可分为频域法和时域法两种。其中半功率带宽法［3］和自由振动衰减法分别是频域及时域辨识结构模态阻尼比的最基本的方法。在结构模态参数中，阻尼比的识别精度远比固有频率、振型的识别精度低［4］阻尼比的识别精度一直是结构动力学研究者追寻的目标，也是一难度很大的课题。

    各种商业化振动测试系统，例如比利时 LMS、丹麦的 B＆K、以及国内的部分振动测试系统，其阻尼参数的数中辨识出结构的模态阻尼比。而且锤击法是测试模态阻尼比最常用的测试方式。由于硬涂层复合结构具有独特的力学特征，其固有频率及阻尼参数会随着激励系统能量大小的不同而改变，即具有频率依赖性［5 －6］，因而基于锤击激励传统的半功率带宽法还无法精确辨识涂层结构的阻尼比( 将在第 1 部分予以详细说明) 。

    本文研究提出基于自由振动衰减包络线法辨识硬涂层 － 薄板复合结构的模态阻尼比的方法。首先，用实验说明了锤击激励、半功率带宽法拾振对于测试薄板结构阻尼特性的局限性。接着，推导了自由振动衰减信号包络线法辨识阻尼特性的原理性公式。最后，以涂敷 NiCrAlY 的钛板为对象，对其涂层前后的阻尼特性进行了测试。同时，还讨论了拾振传感器的类型以及激振力力幅等对薄板结构阻尼测试结果的影响。实践表明，本文所提出的方法具有较好的可重复性，从而确保具有较高的测试精度。

    1 传统的阻尼测试方法的不足

    如图 1 所示悬臂薄板结构，以下采用锤击激励及半功率带宽法获得该结构的模态阻尼比。具体测试过程包括: 将激光测振仪的测点布置在左上角点处，用力锤敲击板的四个角点，每个角点敲击两次，从而获得八个频响函数。进一步，通过 LMS 的 PloyMAX 的辨识模块，获得试件的固有频率和阻尼比，对应于 1 阶的相关测试结果见表 1。