【摘要】：近年來,工程結(jié)構(gòu)不斷地創(chuàng)新發(fā)展,呈現(xiàn)出超大化、復(fù)雜化等特點;與此同時,結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)和隔震減振與控制面臨新的挑戰(zhàn),并不斷向高性能、智能化方向發(fā)展。在土木、機械、航空航天等強大的工程需求背景下,智能材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究和應(yīng)用也取得了巨大的進(jìn)步,光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)、形狀記憶合金驅(qū)動器、電/磁流變液阻尼器、壓電陶瓷傳感器/驅(qū)動器等各類智能材料制成的裝置被先后提出和制造出來。智能材料與結(jié)構(gòu)“自感知、自適應(yīng)、自修復(fù)”的特點,展示出其在工程結(jié)構(gòu)中廣闊的應(yīng)用前景。作為最前沿的智能材料之一,磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomer,MRE)因其剪切模量可通過磁場實時可逆調(diào)節(jié),有望實現(xiàn)可變剛度的隔震系統(tǒng)和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)(Tuned Mass Damper,TMD)。本文以此為背景,首先通過制備MRE并進(jìn)行材性試驗,研究建立MRE的材料本構(gòu)模型;然后提出高能效MRE變剛度支座的設(shè)計原理,并在MRE材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,研究建立并驗證變剛度支座的力學(xué)模型;進(jìn)一步,針對可變剛度隔震系統(tǒng)和可變剛度TMD兩種不同的應(yīng)用場景,分別提出各自系統(tǒng)的設(shè)計方法及控制算法;最后利用仿真和試驗,分析MRE可變剛度隔震系統(tǒng)和可變剛度TMD系統(tǒng)的隔震、減振效果,展示了 MRE在結(jié)構(gòu)隔震減振領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本文主要研究內(nèi)容分為以下幾個方面:(1)利用羰基鐵粉、硅橡膠等基本材料,在實驗室小規(guī)模制備了 MRE材料;進(jìn)行了 MRE動態(tài)力學(xué)性能試驗、MRE-硅鋼板界面極限抗剪性能實驗和MRE磁滯回性能實驗;揭示了 MRE的動態(tài)力學(xué)性能同時具有磁流變效應(yīng)、非線性和粘彈性三大力學(xué)特性。(2)針對MRE材料本構(gòu)模型參數(shù)與加載應(yīng)變幅值耦合的問題,提出了基于Bouc-Wen非線性本構(gòu)模型表征MRE應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的建模方法;針對模型待識別參數(shù)較多,直接優(yōu)化效率低、一致性差的問題,提出了基于滯回曲線特征確定本構(gòu)模型參數(shù)的高效優(yōu)化算法。結(jié)果表明,提出的Bouc-Wen非線性本構(gòu)模型能夠充分地反映MRE的力學(xué)行為和特性,而基于滯回曲線特征確定模型參數(shù)的優(yōu)化算法能夠高效地得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定的優(yōu)化參數(shù)。(3)針對MRE變剛度支座能耗大以及制作和維護(hù)費用高等問題,提出了分置式線圈、錐形支座、減小供磁區(qū)域并使用變形替代材料的支座設(shè)計原理;在MRE材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合電磁場理論分析結(jié)果,建立了 MRE變剛度支座力學(xué)模型;通過支座性能試驗,驗證了 MRE變剛度支座力學(xué)模型的準(zhǔn)確性;最后分析了強磁場下MRE變剛度支座力學(xué)模型誤差偏大的原因,針對支座變形、磁飽和效應(yīng)可能導(dǎo)致磁場減弱的現(xiàn)象,進(jìn)一步進(jìn)行了三維電磁場有限元分析,修正了 MRE變剛度支座的力學(xué)模型并預(yù)測了額定電壓下MRE變剛度支座的變剛度能力。結(jié)果表明,本文提出的支座力學(xué)模型形式簡潔、計算效率高,能夠較好地反映支座的力學(xué)性能;并且,提出的MRE變剛度在支座剛度提供相同控制力的前提下相比于現(xiàn)有的MRE支座可減少66%的MRE材料、50%的銅及減少75%的能耗。(4)提出了 MRE可變剛度隔震系統(tǒng)的隔震支座幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)和磁場參數(shù)設(shè)計方法,提出了隔震系統(tǒng)最大程度實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力的半主動控制算法;根據(jù)“文物陳列柜隔震”和“四層商-住砌體結(jié)構(gòu)隔震”等兩個不同的具體應(yīng)用場景,采用提出的設(shè)計方法制定了具體的MRE可變剛度隔震系統(tǒng)設(shè)計方案,建立了可變剛度隔震結(jié)構(gòu)仿真模型,通過Simulink仿真分析了系統(tǒng)的智能隔震效果,利用MRE可變剛度隔震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動臺試驗,驗證了系統(tǒng)的智能隔震效果。結(jié)果表明,按照MRE可變剛度隔震系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計出的可變剛度隔震系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期設(shè)計減震比;采取半主動控制算法控制的可變剛度隔震系統(tǒng)比被動的隔震系統(tǒng)減小約10%的隔震層變形。(5)提出了 MRE可變剛度TMD系統(tǒng)及其基本構(gòu)造和結(jié)構(gòu),建立了系統(tǒng)MRE可變剛度元件幾何參數(shù)、磁場參數(shù)、可變剛度范圍及可調(diào)諧周期變化范圍等設(shè)計方法;根據(jù)“施工中的橋塔風(fēng)振調(diào)諧減振”這一具體應(yīng)用場景,提出了隨施工變化橋塔風(fēng)振控制的MRE可變剛度TMD系統(tǒng)設(shè)計方案,在此基礎(chǔ)上,利用施工橋塔的動力模型及MRE可變剛度TMD系統(tǒng)的力學(xué)模型,建立了結(jié)構(gòu)仿真模型并制定出頻率跟蹤的控制算法,利用Smilink仿真計算了系統(tǒng)的減振效果,利用MRE變剛度TMD橋塔振動臺試驗驗證了系統(tǒng)的減振效果。結(jié)果表明,按照提出設(shè)計方法設(shè)計的可變剛度TMD系統(tǒng)能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)動力特性變化的最優(yōu)調(diào)諧減振控制;采用變剛度TMD頻率跟蹤算法進(jìn)行控制的MRE可變剛度TMD系統(tǒng)能在相同設(shè)計的被動TMD系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提升10%～30%的減振效果。
【圖文】：

料和智能材料結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為工程結(jié)構(gòu)提供了一個擁有巨大潛力的發(fā)展方向。逡逑根據(jù)功能特點，智能材料可劃分為感知材料和驅(qū)動材料兩大類［３］。其中，感逡逑知材料對應(yīng)力、應(yīng)變、熱、電、磁等作用具備感知功能，如光纖、形狀記憶合金、逡逑壓電陶瓷等；驅(qū)動材料則隨溫度、電場、磁場等的變化改變其剛度、阻尼等特性，，逡逑如電／磁致伸縮材料，電、磁流變液、形狀記憶合金和壓電陶瓷等。目前，智能材逡逑料與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研宄主要集中在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)減震自適應(yīng)控逡逑制三個方面。邐＇逡逑光纖是一種智能感知材料，通過測量光的傳輸特性，如光強、相位和波長，逡逑可以得知光纖周圍材料的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓強等物理條件的變化。光纖不但逡逑具備其它材料無法比擬的信息傳輸性能，而且還具備體積小、重量輕、耗能少、逡逑精度高、抗干擾能力強，易實現(xiàn)分布式測量的特點。在混凝土中埋入光纖，可以逡逑監(jiān)測混凝土的裂縫、損傷、變形和振動，進(jìn)而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的診斷、監(jiān)測、預(yù)報、控逡逑制及評價；將光纖傳感器粘貼在結(jié)構(gòu)的表面，則能實時測量結(jié)構(gòu)外荷載作用及結(jié)逡逑構(gòu)的響應(yīng)。目前，我國已經(jīng)將光纖作為傳感材料用于三峽大壩［４］及部分橋梁的健逡逑康監(jiān)測系統(tǒng)。逡逑

形狀記憶合金是一種智能驅(qū)動材料，在應(yīng)力和溫度的作用下，可誘發(fā)形狀記逡逑憶效應(yīng)，產(chǎn)生很高的回復(fù)應(yīng)力（７００ＭＰａ以上）和回復(fù)應(yīng)變（約８％）。利用這一特性，逡逑可將其制成智能型驅(qū)動器［５］，進(jìn)而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動控制［６］和自復(fù)位功能［７］。圖１．２逡逑所示即為利用形狀記憶合金作為驅(qū)動器驅(qū)動的機器魚“ＬａｍｐｒｅｙＲｏｂｏｔ”。此外，逡逑形狀記憶合金相變偽彈性性能和相變滯后性能，在加卸載的過程中會吸收大量的逡逑能量。利用形狀記憶合金的耗能特性可將其制成被動／半主動阻尼器，通過吸收逡逑地震能量，降低結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)［８，９］。逡逑圖１．２形狀記憶合金驅(qū)動的機器魚“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逡逑壓電材料既是一種智能感知材料，又是一種智能驅(qū)動材料，當(dāng)受到外機械力逡逑作用時，會發(fā)生電極化導(dǎo)致壓．電體兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，即正壓邐’逡逑電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)，可將壓電材料制成壓電傳感元件以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役狀逡逑態(tài)相應(yīng)地
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU352.12

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2674127