結構MRE磁致變剛度-隔震一體化智能支座及其隔震性能

磁流變彈性體（MRE）是一種剪切彈性模量可由磁場實時、可逆、迅速控制的新型智能材料，可用于制作剛度可控的變剛度隔震一體化智能支座。本項目首先建立了壓剪荷載下有序結構MRE磁致變剛度機理模型，分析了豎向壓應力對MRE磁致剪切模量的影響；繼而以羰基鐵粉和硅橡膠制作結構有序、顆粒體積含量為30%的MRE，測試結果表明，MRE的磁致剪切模量隨磁場強度、壓應力的增大而增大，且試驗結果與理論吻合較好；第三，對MRE進行松弛性試驗，結果表明MRE具有粘彈性材料的松弛及蠕變特性；基于其松弛性能曲線，建立五參數(shù)廣義Maxwell模型、三參數(shù)分數(shù)階Kelvin-Voigt模型和含摩擦耗能元件的五參數(shù)分數(shù)階模型，結果表明五參數(shù)分數(shù)階模型的計算效率最高，以此為基礎建立智能隔震支座的力學模型；第四，以無磁場條件下發(fā)揮普通隔震支座功能為前提，根據(jù)現(xiàn)有的橡膠隔震支座規(guī)范制定了智能隔震支座的力學設計方法；以設計控制力為目標，確定最大磁場，并利用電磁學理論計算和有限元計算結合的方式制定了磁路設計方法；第五，在不同磁場作用下對智能隔震支座施加不同頻率、不同位移幅值的正弦荷載、不同位移幅值的掃頻荷載及隨機荷載，測試智能隔振支座的力-位移曲線，試驗結果與力學模型計算結果吻合，證明所提出的力學模型準確；最后，提出了磁流變彈性體智能隔震體系的三種控制方法，結合試驗室的實際條件和試驗目的，確定MRE智能隔震系統(tǒng)試驗裝置。 2100433B

常規(guī)隔震系統(tǒng)頻帶窄、限位難，磁流變彈性體（MRE）的壓剪特性與橡膠類似，可用于隔震，且其剪切剛度可由磁場調節(jié)，是制作主動變剛度隔震一體化智能支座的理想材料。MRE智能支座既可根據(jù)輸入自適應調節(jié)剛度具有寬頻帶隔震特性，也可根據(jù)支座位移自適應調節(jié)剛度具有自限位功能?？紤]與小型吸振裝置的純剪切模式不同，智能支座的MRE承受壓剪作用，基于此本項目理論研究建立壓剪作用下MRE的斜鏈耦合場模型，推導壓剪受力下MRE的磁致剪切模量公式,揭示MRE壓剪受力下磁致機理；進行不同壓力和頻率下MRE磁致剪切性能的試驗,驗證理論模型，揭示壓力與頻率對其性能的影響規(guī)律；建立基于MRE本構關系的智能支座滯回模型，確定其等效剛度與阻尼比計算方法；設計MRE智能支座，試驗研究不同壓力和激勵頻率下智能支座的性能，驗證滯回模型；研究多目標集成半主動控制算法，進行智能支座隔震結構的振動臺試驗，驗證其寬頻帶隔震效果和自限位功能。

常規(guī)隔震技術存在適用頻率窄、限位難等問題，混合控制、設置限位裝置、磁流變彈性體智能隔震等技術導致結構體系復雜，無法推廣應用。電流變彈性體（ERE）的動態(tài)力學性能可由電場控制，可取代橡膠制作新型智能隔震支座，其剛度可自適應調節(jié)，且結構簡單，有望解決現(xiàn)有隔震技術的不足。本項目根據(jù)結構寬頻帶隔震的現(xiàn)實需求，首先依據(jù)巨電流變機理，制備高性能的電流變彈性體并研究其性能；繼而基于ERE的分數(shù)階本構模型，建立ERE智能隔震支座的力學模型，提出其設計方法；然后，根據(jù)ERE智能隔震體系的分數(shù)階導數(shù)模型，建立ERE智能隔震結構的分數(shù)階PID控制算法；最后，對基于ERE智能隔震支座的單自由度體系和多自由度體系進行模擬振動臺試驗，評價其抗震性能。本項研究涉及與ERE智能隔震支座相關的材料制備、隔震支座力學模型及設計方法、控制算法、隔震評價等問題，具有重要的科學意義；研究成果將為ERE智能隔震支座的應用奠定基礎。

常規(guī)隔震技術存在適用頻率窄、限位難等問題，基于對電流變彈性體智能特性的理解，開發(fā)電流變彈性體智能隔震支座，并研究其力學模型及隔震性能。主要研究成果包括：（1）高性能電流變彈性體的制備及其性能研究。基于極性分子型電流變理論，采用尿素極性分子對TiO2顆粒進行表面包覆，制備出TiO2/尿素核殼顆粒，試驗結果表明，填充TiO2/尿素顆粒的彈性體在0~3 kV/mm具有更高的儲能模量，且在較低的外加電場下(0~2 kV/mm)可以表現(xiàn)出更高的相對電流變效應；采用3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(A174)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTEO)兩種硅烷偶聯(lián)劑對無定型態(tài)TiO2顆粒和硅橡膠的界面進行改性。由于兩相界面結合強度和改性顆粒極化強度的提高，TiO2/V1顆粒填充的彈性體具有較小的零場儲能模量和較高的外加場下儲能模量，其相對電流變效應達到了最高的315%。（2）結構ERE 智能隔震支座力學模型及設計方法。基于對電流變彈性體動態(tài)粘彈性性能的測試結果，建立電流變彈性體材料的修正Bouc-Wen本構模型，且利用Matlab軟件仿真模擬進行模型參數(shù)識別，并分析本構模型各個參數(shù)與電場強度的相關性。研究結果表明，修正Bouc-Wen本構模型可以精確地描述電流變彈性體在各個工況下的力學性能；在此基礎上設計了ERE變剛度裝置，然后以ERE本構模型為基礎，以力學、電場分析為手段，建立了ERE變剛度支座力學模型；繼而，通過試驗評價ERE變剛度智能隔震支座的性能，并驗證了ERE變剛度支座力學模型的準確性。（3）ERE 智能隔震支座結構的控制算法及抗震性能試驗。在ERE變剛度支座力學模型的基礎上提出了智能隔震系統(tǒng)的設計方法及控制算法；制定了具體的ERE智能隔震系統(tǒng)設計方案并建立結構仿真模型，通過Simulink仿真評估系統(tǒng)的智能隔震效果，同時利用ERE智能隔震系統(tǒng)結構振動臺試驗，驗證了系統(tǒng)的智能隔震效果。結果表明，按照ERE智能隔震系統(tǒng)設計方法設計出的智能隔震系統(tǒng)能夠實現(xiàn)預期設計減震比。本研究為結構變剛度智能隔震技術的實際工程應用奠定了基礎，也為電流變彈性體的應用開辟了新的方向。 2100433B