磁流变弹性体与变刚度支座及其智能隔震减振系统性能研究

发布时间：2020-05-21 10:19

【摘要】：近年来,工程结构不断地创新发展,呈现出超大化、复杂化等特点;与此同时,结构抗震抗风和隔震减振与控制面临新的挑战,并不断向高性能、智能化方向发展。在土木、机械、航空航天等强大的工程需求背景下,智能材料与结构技术的研究和应用也取得了巨大的进步,光纤光栅传感监测系统、形状记忆合金驱动器、电/磁流变液阻尼器、压电陶瓷传感器/驱动器等各类智能材料制成的装置被先后提出和制造出来。智能材料与结构“自感知、自适应、自修复”的特点,展示出其在工程结构中广阔的应用前景。作为最前沿的智能材料之一,磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer,MRE)因其剪切模量可通过磁场实时可逆调节,有望实现可变刚度的隔震系统和调谐质量阻尼器系统(Tuned Mass Damper,TMD)。本文以此为背景,首先通过制备MRE并进行材性试验,研究建立MRE的材料本构模型;然后提出高能效MRE变刚度支座的设计原理,并在MRE材料本构模型的基础上,研究建立并验证变刚度支座的力学模型;进一步,针对可变刚度隔震系统和可变刚度TMD两种不同的应用场景,分别提出各自系统的设计方法及控制算法;最后利用仿真和试验,分析MRE可变刚度隔震系统和可变刚度TMD系统的隔震、减振效果,展示了 MRE在结构隔震减振领域的应用前景。本文主要研究内容分为以下几个方面:(1)利用羰基铁粉、硅橡胶等基本材料,在实验室小规模制备了 MRE材料;进行了 MRE动态力学性能试验、MRE-硅钢板界面极限抗剪性能实验和MRE磁滞回性能实验;揭示了 MRE的动态力学性能同时具有磁流变效应、非线性和粘弹性三大力学特性。(2)针对MRE材料本构模型参数与加载应变幅值耦合的问题,提出了基于Bouc-Wen非线性本构模型表征MRE应力-应变关系的建模方法;针对模型待识别参数较多,直接优化效率低、一致性差的问题,提出了基于滞回曲线特征确定本构模型参数的高效优化算法。结果表明,提出的Bouc-Wen非线性本构模型能够充分地反映MRE的力学行为和特性,而基于滞回曲线特征确定模型参数的优化算法能够高效地得到准确、稳定的优化参数。(3)针对MRE变刚度支座能耗大以及制作和维护费用高等问题,提出了分置式线圈、锥形支座、减小供磁区域并使用变形替代材料的支座设计原理;在MRE材料本构模型的基础上,结合电磁场理论分析结果,建立了 MRE变刚度支座力学模型;通过支座性能试验,验证了 MRE变刚度支座力学模型的准确性;最后分析了强磁场下MRE变刚度支座力学模型误差偏大的原因,针对支座变形、磁饱和效应可能导致磁场减弱的现象,进一步进行了三维电磁场有限元分析,修正了 MRE变刚度支座的力学模型并预测了额定电压下MRE变刚度支座的变刚度能力。结果表明,本文提出的支座力学模型形式简洁、计算效率高,能够较好地反映支座的力学性能;并且,提出的MRE变刚度在支座刚度提供相同控制力的前提下相比于现有的MRE支座可减少66%的MRE材料、50%的铜及减少75%的能耗。(4)提出了 MRE可变刚度隔震系统的隔震支座几何参数、力学参数和磁场参数设计方法,提出了隔震系统最大程度实现主动最优控制力的半主动控制算法;根据“文物陈列柜隔震”和“四层商-住砌体结构隔震”等两个不同的具体应用场景,采用提出的设计方法制定了具体的MRE可变刚度隔震系统设计方案,建立了可变刚度隔震结构仿真模型,通过Simulink仿真分析了系统的智能隔震效果,利用MRE可变刚度隔震系统结构振动台试验,验证了系统的智能隔震效果。结果表明,按照MRE可变刚度隔震系统设计方法设计出的可变刚度隔震系统能够实现预期设计减震比;采取半主动控制算法控制的可变刚度隔震系统比被动的隔震系统减小约10%的隔震层变形。(5)提出了 MRE可变刚度TMD系统及其基本构造和结构,建立了系统MRE可变刚度元件几何参数、磁场参数、可变刚度范围及可调谐周期变化范围等设计方法;根据“施工中的桥塔风振调谐减振”这一具体应用场景,提出了随施工变化桥塔风振控制的MRE可变刚度TMD系统设计方案,在此基础上,利用施工桥塔的动力模型及MRE可变刚度TMD系统的力学模型,建立了结构仿真模型并制定出频率跟踪的控制算法,利用Smilink仿真计算了系统的减振效果,利用MRE变刚度TMD桥塔振动台试验验证了系统的减振效果。结果表明,按照提出设计方法设计的可变刚度TMD系统能够适应结构动力特性变化的最优调谐减振控制;采用变刚度TMD频率跟踪算法进行控制的MRE可变刚度TMD系统能在相同设计的被动TMD系统的基础上提升10%～30%的减振效果。
【图文】：

结构图,监测系统,结构图,光纤

料和智能材料结构的出现，为工程结构提供了一个拥有巨大潜力的发展方向。逡逑根据功能特点，智能材料可划分为感知材料和驱动材料两大类［３］。其中，感逡逑知材料对应力、应变、热、电、磁等作用具备感知功能，如光纤、形状记忆合金、逡逑压电陶瓷等；驱动材料则随温度、电场、磁场等的变化改变其刚度、阻尼等特性，，逡逑如电／磁致伸缩材料，电、磁流变液、形状记忆合金和压电陶瓷等。目前，智能材逡逑料与结构的应用研宄主要集中在结构健康监测、自适应结构和结构减震自适应控逡逑制三个方面。逦＇逡逑光纤是一种智能感知材料，通过测量光的传输特性，如光强、相位和波长，逡逑可以得知光纤周围材料的应力、应变、温度、压强等物理条件的变化。光纤不但逡逑具备其它材料无法比拟的信息传输性能，而且还具备体积小、重量轻、耗能少、逡逑精度高、抗干扰能力强，易实现分布式测量的特点。在混凝土中埋入光纤，可以逡逑监测混凝土的裂缝、损伤、变形和振动，进而实现结构的诊断、监测、预报、控逡逑制及评价；将光纤传感器粘贴在结构的表面，则能实时测量结构外荷载作用及结逡逑构的响应。目前，我国已经将光纤作为传感材料用于三峡大坝［４］及部分桥梁的健逡逑康监测系统。逡逑

主动振动控制,形梁,压电陶瓷驱动,形状记忆合金

形状记忆合金是一种智能驱动材料，在应力和温度的作用下，可诱发形状记逡逑忆效应，产生很高的回复应力（７００ＭＰａ以上）和回复应变（约８％）。利用这一特性，逡逑可将其制成智能型驱动器［５］，进而实现结构的振动控制［６］和自复位功能［７］。图１．２逡逑所示即为利用形状记忆合金作为驱动器驱动的机器鱼“ＬａｍｐｒｅｙＲｏｂｏｔ”。此外，逡逑形状记忆合金相变伪弹性性能和相变滞后性能，在加卸载的过程中会吸收大量的逡逑能量。利用形状记忆合金的耗能特性可将其制成被动／半主动阻尼器，通过吸收逡逑地震能量，降低结构的位移响应［８，９］。逡逑图１．２形状记忆合金驱动的机器鱼“Ｌａｍｐｒｅｙ邋Ｒｏｂｏｔ”逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ａｃｈｉｅｖｅ邋Ｆｉｓｈ－ｌｉｋｅ邋Ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ邋ｕｓｉｎｇ邋ｓｈａｐｅ邋ｍｅｍｏｒｙ邋ａｌｌｏｙ邋ｗｉｒｅｓ逡逑压电材料既是一种智能感知材料，又是一种智能驱动材料，当受到外机械力逡逑作用时，会发生电极化导致压．电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，即正压逦’逡逑电效应。利用正压电效应，可将压电材料制成压电传感元件以监测结构的服役状逡逑态相应地
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.12

【参考文献】