泡沫铝复合材料的力学性能及减震应用试验研究

发布时间：2020-03-28 17:26

【摘要】：结构的消能减震技术作为一种有效的抗震技术,已经在工程中得到了广泛的应用。由于消能减震技术的关键在于所使用的阻尼材料,故若能研制出一种兼具阻尼和刚度一体的新型高阻尼材料,必能推动消能减震技术的发展。本文采用渗流的方法,将聚氨酯填充入球形开孔泡沫铝的孔洞内,制备成一种具有网络互穿式结构的泡沫铝复合材料(Aluminum Foam/Polyurethane composites,简写为 AF/PU)。为了能将AF/PU应用于土木工程结构的消能减震技术中,本文围绕AF/PU的力学性能和减震应用这两个方面,在AF/PU的单调和循环压缩性能试验、简化本构模型、AF/PU摩擦阻尼器的性能测试及力学模型、复合型AF/PU阻尼器在相邻建筑结构的减震控制应用等方面进行了系统深入的研究。所开展的主要研究工作和所取得的主要成果包括:(1)开展了 AF/PU的单调压缩性能试验,对比了 AF/PU、纯泡沫铝和聚氨酯单调压缩性能,分析了外围聚氨酯对AF/PU的力学贡献,探讨了铝体积分数对AF/PU单调压缩性能的变化规律。结果表明,AF/PU的压缩强度和刚度主要受铝体积分数的影响,而聚氨酯的贡献甚微,可忽略外围聚氨酯的影响。使用Avalle宏观唯象本构模型模拟了AF/PU的单调压缩行为,其结果与试验结果吻合较好。(2)进行了 AF/PU的循环压缩性能试验,研究了加载幅值、加载速率和循环次数等加载工况对AF/PU的峰值应力、变形模量、耗能能力及残余应变等力学性能参数的影响规律,揭示了 AF/PU的耗能机制主要为泡沫铝骨架与聚氨酯的界面摩擦阻尼。在此基础上,建立了适于AF/PU工程设计的简化四折线本构模型,该模型直观地反映AF/PU在整个变形过程中的宏观弹性性能和超弹性性能,并通过数值仿真结果和试验结果,验证了该模型的有效性。(3)设计并制作了一种新型AF/PU摩擦阻尼器,进行了该阻尼器装置的力学性能试验,研究了预压力、加载频率、位移幅值和循环次数对该阻尼器的输出力、刚度和耗能能力等力学性能参数的影响。根据该阻尼器的受力特性,建立了修正Bouc-Wen模型,采用分步骤缩小参数取值范围的遗传算法对该模型进行参数识别,并对该阻尼器的力学性能进行了数值模拟。结果表明,该阻尼器是一种典型的位移幅值相关性的变刚度摩擦阻尼器,具有耗能能力强和刚度可变等特性。(4)利用AF/PU摩擦单元与AF/PU压缩单元并联的工作原理,研制了一种新型的复合型AF/PU阻尼器,测试了加载频率和位移幅值对该阻尼器力学性能的影响。基于OpenSees软件平台编写的分线性段本构模型可用于该阻尼器力学性能的数值模拟。最后,以两栋分别为8层与3层的相邻框架结构为算例,对该阻尼器在该相邻结构体系中的地震反应进行了数值分析,并分别与吸振材料和粘滞流体阻尼器的消能减震体系做对比,验证了该阻尼器在相邻结构减震中的良好效果。
【图文】：

网络互穿结构复合材料（Ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，邋ＩＰＣ）与传统复合材料的区逡逑别在于，，增强体将不再以独立、分散的形态存在，而是和基体一样，在三维空间尺度方逡逑向内呈连续态，如图１－３所示。ＩＰＣ在生物圈中比较常见，例如由动物的骨骼和躯干、逡逑植物的树干和树枝，但人工合成的ＩＰＣ并不多，仍然还处于发展阶段。逡逑ｍｍ邋Ｗｍｍ逡逑增强体逦基体逦ＩＰＣ逡逑图１－３网络互穿结构复合材料（ＩＰＣ）结构图逡逑国内外对ＩＰＣ的性能研究，主要是从试验方面展开。在众多试验研究中，若按ＩＰＣ逡逑的增强体和基体的不同可化为三种类型：金属－陶瓷、金属－高分子聚合物、高分子聚合逡逑物－陶瓷，其中金属－陶瓷ＩＰＣ是被研究最多的一种ＩＰＣ类型１｜２８＿１３｜１。Ｂｒｅｓｌｉｎｉｍｉ等人最早逡逑利用液态置换反应制备了以连续陶瓷为三维连通骨架结构，金属铝为增强体的连续陶瓷逡逑基复合材料（ｃｏ－ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｃｅｒａｍｉｃ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，邋Ｃ４材料），发现这种金属－陶瓷ＩＰＣ除具有逡逑优异的密度、热传导性和热膨胀系数等物理性能以外，还拥有一定的刚度和断裂幵度等逡逑力学性能。Ｐｒｉｅｌｉｐｐ１１３３１等人以陶瓷骨架的直径和铝的体积分数为变化参数，研究了铝－陶逡逑瓷ＩＰＣ的断裂形态

网络互穿结构复合材料（Ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ邋Ｐｈａｓｅ邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，邋ＩＰＣ）与传统复合材料的区逡逑别在于，增强体将不再以独立、分散的形态存在，而是和基体一样，在三维空间尺度方逡逑向内呈连续态，如图１－３所示。ＩＰＣ在生物圈中比较常见，例如由动物的骨骼和躯干、逡逑植物的树干和树枝，但人工合成的ＩＰＣ并不多，仍然还处于发展阶段。逡逑ｍｍ邋Ｗｍｍ逡逑增强体逦基体逦ＩＰＣ逡逑图１－３网络互穿结构复合材料（ＩＰＣ）结构图逡逑国内外对ＩＰＣ的性能研究，主要是从试验方面展开。在众多试验研究中，若按ＩＰＣ逡逑的增强体和基体的不同可化为三种类型：金属－陶瓷、金属－高分子聚合物、高分子聚合逡逑物－陶瓷，其中金属－陶瓷ＩＰＣ是被研究最多的一种ＩＰＣ类型１｜２８＿１３｜１。Ｂｒｅｓｌｉｎｉｍｉ等人最早逡逑利用液态置换反应制备了以连续陶瓷为三维连通骨架结构，金属铝为增强体的连续陶瓷逡逑基复合材料（ｃｏ－ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｃｅｒａｍｉｃ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，邋Ｃ４材料），发现这种金属－陶瓷ＩＰＣ除具有逡逑优异的密度、热传导性和热膨胀系数等物理性能以外，还拥有一定的刚度和断裂幵度等逡逑力学性能。Ｐｒｉｅｌｉｐｐ１１３３１等人以陶瓷骨架的直径和铝的体积分数为变化参数，研究了铝－陶逡逑瓷ＩＰＣ的断裂形态
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU599;TU352.1

【参考文献】

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本文编号：2604679