結(jié)構(gòu)MRE磁致變剛度-隔震一體化智能支座及其隔震性能結(jié)題摘要

磁流變彈性體（MRE）是一種剪切彈性模量可由磁場(chǎng)實(shí)時(shí)、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(xiàng)目首先建立了壓剪荷載下有序結(jié)構(gòu)MRE磁致變剛度機(jī)理模型，分析了豎向壓應(yīng)力對(duì)MRE磁致剪切模量的影響；繼而以羰基鐵粉和硅橡膠制作結(jié)構(gòu)有序、顆粒體積含量為30%的MRE，測(cè)試結(jié)果表明，MRE的磁致剪切模量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度、壓應(yīng)力的增大而增大，且試驗(yàn)結(jié)果與理論吻合較好；第三，對(duì)MRE進(jìn)行松弛性試驗(yàn)，結(jié)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?jǐn)?shù)階Kelvin-Voigt模型和含摩擦耗能元件的五參數(shù)分?jǐn)?shù)階模型，結(jié)果表明五參數(shù)分?jǐn)?shù)階模型的計(jì)算效率最高，以此為基礎(chǔ)建立智能隔震支座的力學(xué)模型；第四，以無(wú)磁場(chǎng)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(xué)設(shè)計(jì)方法；以設(shè)計(jì)控制力為目標(biāo)，確定最大磁場(chǎng)，并利用電磁學(xué)理論計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)合的方式制定了磁路設(shè)計(jì)方法；第五，在不同磁場(chǎng)作用下對(duì)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(jī)荷載，測(cè)試智能隔振支座的力-位移曲線，試驗(yàn)結(jié)果與力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果吻合，證明所提出的力學(xué)模型準(zhǔn)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(jié)合試驗(yàn)室的實(shí)際條件和試驗(yàn)?zāi)康?，確定MRE智能隔震系統(tǒng)試驗(yàn)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(chǎng)調(diào)節(jié)，是制作主動(dòng)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(yīng)調(diào)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(yīng)調(diào)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(xiàng)目理論研究建立壓剪作用下MRE的斜鏈耦合場(chǎng)模型，推導(dǎo)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(jī)理；進(jìn)行不同壓力和頻率下MRE磁致剪切性能的試驗(yàn),驗(yàn)證理論模型，揭示壓力與頻率對(duì)其性能的影響規(guī)律；建立基于MRE本構(gòu)關(guān)系的智能支座滯回模型，確定其等效剛度與阻尼比計(jì)算方法；設(shè)計(jì)MRE智能支座，試驗(yàn)研究不同壓力和激勵(lì)頻率下智能支座的性能，驗(yàn)證滯回模型；研究多目標(biāo)集成半主動(dòng)控制算法，進(jìn)行智能支座隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證其寬頻帶隔震效果和自限位功能。

常規(guī)隔震技術(shù)存在適用頻率窄、限位難等問(wèn)題，混合控制、設(shè)置限位裝置、磁流變彈性體智能隔震等技術(shù)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，無(wú)法推廣應(yīng)用。電流變彈性體（ERE）的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能可由電場(chǎng)控制，可取代橡膠制作新型智能隔震支座，其剛度可自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有望解決現(xiàn)有隔震技術(shù)的不足。本項(xiàng)目根據(jù)結(jié)構(gòu)寬頻帶隔震的現(xiàn)實(shí)需求，首先依據(jù)巨電流變機(jī)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?jǐn)?shù)階本構(gòu)模型，建立ERE智能隔震支座的力學(xué)模型，提出其設(shè)計(jì)方法；然后，根據(jù)ERE智能隔震體系的分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)模型，建立ERE智能隔震結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)階PID控制算法；最后，對(duì)基于ERE智能隔震支座的單自由度體系和多自由度體系進(jìn)行模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其抗震性能。本項(xiàng)研究涉及與ERE智能隔震支座相關(guān)的材料制備、隔震支座力學(xué)模型及設(shè)計(jì)方法、控制算法、隔震評(píng)價(jià)等問(wèn)題，具有重要的科學(xué)意義；研究成果將為ERE智能隔震支座的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

常規(guī)隔震技術(shù)存在適用頻率窄、限位難等問(wèn)題，基于對(duì)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(xué)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?；跇O性分子型電流變理論，采用尿素極性分子對(duì)TiO2顆粒進(jìn)行表面包覆，制備出TiO2/尿素核殼顆粒，試驗(yàn)結(jié)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(chǔ)能模量，且在較低的外加電場(chǎng)下(0~2 kV/mm)可以表現(xiàn)出更高的相對(duì)電流變效應(yīng)；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(duì)無(wú)定型態(tài)TiO2顆粒和硅橡膠的界面進(jìn)行改性。由于兩相界面結(jié)合強(qiáng)度和改性顆粒極化強(qiáng)度的提高，TiO2/V1顆粒填充的彈性體具有較小的零場(chǎng)儲(chǔ)能模量和較高的外加場(chǎng)下儲(chǔ)能模量，其相對(duì)電流變效應(yīng)達(dá)到了最高的315%。（2）結(jié)構(gòu)ERE 智能隔震支座力學(xué)模型及設(shè)計(jì)方法。基于對(duì)電流變彈性體動(dòng)態(tài)粘彈性性能的測(cè)試結(jié)果，建立電流變彈性體材料的修正Bouc-Wen本構(gòu)模型，且利用Matlab軟件仿真模擬進(jìn)行模型參數(shù)識(shí)別，并分析本構(gòu)模型各個(gè)參數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)性。研究結(jié)果表明，修正Bouc-Wen本構(gòu)模型可以精確地描述電流變彈性體在各個(gè)工況下的力學(xué)性能；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了ERE變剛度裝置，然后以ERE本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，以力學(xué)、電場(chǎng)分析為手段，建立了ERE變剛度支座力學(xué)模型；繼而，通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)ERE變剛度智能隔震支座的性能，并驗(yàn)證了ERE變剛度支座力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。（3）ERE 智能隔震支座結(jié)構(gòu)的控制算法及抗震性能試驗(yàn)。在ERE變剛度支座力學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出了智能隔震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及控制算法；制定了具體的ERE智能隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并建立結(jié)構(gòu)仿真模型，通過(guò)Simulink仿真評(píng)估系統(tǒng)的智能隔震效果，同時(shí)利用ERE智能隔震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的智能隔震效果。結(jié)果表明，按照ERE智能隔震系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的智能隔震系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)減震比。本研究為結(jié)構(gòu)變剛度智能隔震技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為電流變彈性體的應(yīng)用開辟了新的方向。 2100433B