ABSTRACT

The damping characteristic of thin plate coat structure was studied in this paper. Recognition algorithm of half power bandwidth method was first introduced, and then the measurement experimental system was established. The damping characteristic of titanium membrane of thin plate was recognized by the half power method. The damping characteristic of titanium membrane of thin plate coated with TiZrN was measured. The parameters of damping system were estimated. The natural frequency of coated thin plate mistuned and the damping characteristic amplified obviously.

Keywords:Half Power Method, Thin Coating Plate, Damping, Measurement

基于半功率带宽法的薄板涂层结构阻尼特性测试

朱全军¹，樊习英²，曹枚根³，韩清鹏⁴，任建兴⁴

¹全球能源互联网研究院，北京

²国网山西省电力公司经济技术研究院，山西 太原

³中国电力科学研究院，北京

⁴上海电力学院能源与机械工程学院，上海

收稿日期：2017年3月8日；录用日期：2017年3月27日；发布日期：2017年3月31日

摘 要

本文主要研究了薄板-涂层结构系统的阻尼特性的测试方法与典型案例。首先介绍了半功率带宽法的识别原理，在此基础上，搭建了用于半功率带宽法测试的实验系统。采用半功率带宽法识别了带有涂层的钛基薄板结构的阻尼特性。针对涂覆TiZrN涂层前后的钛基薄板进行了阻尼特性测试，获得了系统的阻尼特性参数。对比所得的测试结果表明，薄板结构涂层后系统的固有频率发生了错频，且阻尼特性明显增大。

关键词 :半功率带宽法，薄板涂层结构，阻尼特性，测试

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1. 引言

薄板-涂层结构的阻尼特性对于涂层阻尼减振设计以及减振效果评价都有重要意义。半功率带宽法是识别机械结构系统阻尼特性的一种经典方法也是目前已经工程化使用的方法。

Christopher Blackwell [1] 等基于正弦扫频基础激励，研究了利用半功率带宽法识别薄板结构的阻尼特性，胡卫强 [2] 等利用半功率带宽法测试了悬臂梁试件的阻尼参数，进而推导出涂层材料的损耗因子。杨智春 [3] 提出一种利用搭扣带的分布式粘弹性单元结构特性设计阻尼器的方法，用半功率带宽法得到阻尼器共振情况下的阻尼比。翁震平 [4] 将相关分析应用于时域衰减法测量结构阻尼比的数据处理中，计算出了激励频率下的结构阻尼比。

本文研究采用半功率带宽法识别薄板涂层结构的阻尼特性。首先介绍了半功率带宽法的识别原理，在此基础上，搭建了可用的实验系统。针对涂覆TiZrN涂层前后的钛基薄板进行了阻尼特性测试，获得了系统的阻尼特性参数，并对测试结果进行了对比分析。

2. 阻尼特性测试的半功率带宽法

可以描述机械结构系统阻尼特性的参数包括比阻尼(SDC)、相位差角()、对数衰减系数()、品质因子()、损耗因子()、结构阻尼系数(g)、阻尼比()等。这些参数是从不同形式阻尼的作用机理，来表征结构系统的阻尼特性。

半功率带宽法是一种常用的测量结构阻尼特性的方法 [5] [6] 。以单自由度系统为例，在激励力作用下，其运动方程为：

(1)

其稳态解为

(2)

式中为位移峰值，为激振频率与无阻尼固有频率之比，，为无阻尼固有频率，。

由上式可知，在低频时，位移幅值，仅为弹簧常数控制位移；在高频时；，此时，质量不是系统唯一的参数，无阻尼固有频率很接近小阻尼()系统的固有频率。在频谱图上可以得到图示曲线，它的半功率点即为幅值下降3dB()所对应曲线上的点。那么对于小阻

尼，它所对应的频率分别为和，半功率带宽定义为：

(3)

采用半功率带宽法，通常用阻尼比、模态损耗因子和品质因子来描述系统的阻尼特性，三者的关系为

(4)

用半功率带宽法测试机械结构的阻尼特征参数，其常用方法主要是基于试验模态测试来获得各阶模态对应的阻尼比，其主要步骤包括如下4个。

1)在机械结构的一些不同位置点上测试相应的频响函数；

2)获得结构系统的各阶固有频率；

3)从频响函数中获得半功率带宽 (共振点附近幅值下降倍的两个频率值之差)；

4)利用半功率带宽法计算得到各阶模态阻尼比，即

(5)

3. 薄板涂层结构的阻尼特性测试结果

3.1. 实验对象描述

利用半功率带宽法，测试涂层前后钛基薄板的阻尼特性。被测结构件采用悬臂方式安装。

TC4钛基薄板其几何参数为长100 mm，宽80 mm，厚1.5 mm。材料参数为，杨氏模量、泊松比、密度。涂敷ZrTiN涂层，涂层的长、宽同钛基薄板，单面涂敷，涂层的厚度为20微米。

3.2. 测试结果

对薄板的阻尼特性进行测试。由于能量的衰减，力锤激励对于所研究的实验结构仅能达到3000 Hz，且仅在大约1000 Hz内能实现较高信噪比的测试。图1为预试验敲击获得的频响，从中可以看出，大约1200 Hz以上的测试，信噪比很低。

考虑精度限制，将测试频率范围设定为0~1600 Hz。

3.3. 测点的频响函数

在薄板的4个角点分别放置电涡流位移传感器，用于获得由锤击脉冲得到响应信号。敲击点也是在4个角点，每敲击一次，4个电涡流传感器均获得响应信号。敲击4次，将获得16组信号。通过对实验结果进行对比分析，当敲击点位于第3点时，可以获得较好的响应信号(图2)。

3.4. 用半功率带宽法识别的阻尼比

测得的有无涂层的薄板的固有频率及阻尼比见表1，固有频率及阻尼比都有明显不同，特别是阻尼参数明显增大。注意到第二阶扭转模态没有测试结果，这是采用锤击法测试所造成的不足。

针对上述选定参数进行了涂层阻尼减振效果验证，求解了涂层前后薄板的固有特性、模态阻尼比和谐响应。结果发生了错频、模态阻尼比显著增加、谐响应共振峰显著降低等现象，证实了选定设计参数对钛基薄板减振有明显的效果。

图1. 试验敲击获得的频响。(a) 预试验敲击获得的频响；(b) 相干函数

图2. 敲击点3，测试点1处的响应曲线

表1. 测试获得的涂层前后薄板的固有频率及阻尼比

4. 结论

本文获得了薄板-涂层结构的阻尼特性，对于涂层阻尼减振设计以及减振效果评价都有重要意义。本文研究采用半功率带宽法识别钛基薄板结构的阻尼特性。搭建了可用于半功率带宽法测试的实验系统。通过对实验结果进行对比分析，当敲击点位于第3点时，可以获得较好的响应信号。

针对涂覆TiZrN涂层前后的钛基薄板进行了阻尼特性测试，获得了系统的阻尼特性参数，并对实验结果进行了分析。发现涂层后薄板结构系统固有频率发生变化，且阻尼特性明显增大。

致谢

感谢国家电网科技项目(SGRI-WD-71-15-010)对本文的支持。

文章引用

朱全军,樊习英,曹枚根,韩清鹏,任建兴. 基于半功率带宽法的薄板涂层结构阻尼特性测试
Damping Measurement of Thin Coating Plate Based on Half Power Method[J]. 机械工程与技术, 2017, 06(01): 34-38. http://dx.doi.org/10.12677/MET.2017.61005

参考文献 (References)