MRE阻尼器性能试验及半主动控制数值模拟

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由于地震灾害的频发,传统的抗震设计理论已经难以满足建筑结构安全性的要求,抗震结构在经历地震后会因弹塑性变形而造成自身构件损坏甚至无法正常使用的情况。而结构振动控制理论的提出能够有效降低结构在地震作用下的动力响应,并在很大程度上保护主体结构免受损坏。其中半主动控制包含被动控制和主动控制的优点,具有耗能低、易实现及减震效果良好等优点,被广泛应用于实际工程控制当中。磁流变弹性体(Magnetorheological elastomer,MRE)作为智能材料的一个分支,其力学性能可以通过改变外加磁场强弱实现连续调节,具有响应迅速及可逆性好等特点。将其与半主动控制技术相结合可以实现对结构进行减震控制,目前大量以磁流变弹性体作为可调耗能元件的半主动减隔震装置被国内外研究学者提出并加以研究。本文以磁流变弹性体作为研究基础,从其制备工艺及力学表征入手,设计并提出了一种基于磁流变弹性体的新型耗能阻尼器。对阻尼器的构造要求和工作原理进行详细介绍,并围绕其开展试验研究和半主动控制仿真建模。本文主要的研究内容与结论如下:(1)根据阻尼器的工作要求,选择合适的基体材料、铁磁颗粒、辅助添加剂按照适宜的制备流程在有场固化下研制磁流变弹性体,并对其进行静态剪切测试和滞回性能试验。结果表明当外加磁感应强度增大至500m T时,材料磁流变效应达到274%,且其阻尼力和剪切耗能能力也得到大幅度提高。(2)对阻尼器的构造和工作原理进行介绍说明,将其各部分尺寸进行初步设计并用理论公式对产生的磁路计算推导,确定线圈的缠绕匝数为1300匝。使用电磁仿真软件ANSYS Maxwell对阻尼器进行三维建模磁场仿真,验证阻尼器磁路设计的合理性。仿真结果显示对线圈施加的电流激励为2A时,阻尼器内磁流变弹性体处最大磁感应强度值为0.68T,与理论计算值接近,满足阻尼器正常工作的要求。(3)对阻尼器进行力学性能试验,考虑加载幅值、加载速率及外加电流激励对阻尼器性能的影响。试验结果表明无外加电流激励下加载幅值和加载速率的增大均能提高阻尼器的力学性能。在对阻尼器施加电流激励并从0~10A增大过程中,阻尼器的力学性能会因加载幅值和加载速率影响得到不同幅度的提升,且其等效刚度和等效阻尼具有较大的调节范围。采用Bouc-Wen-Kelvin模型对阻尼器进行建模仿真,拟合结果表明该模型能有效描述阻尼器的可调力学性能。(4)利用Matlab/Simulink对各层安装有阻尼器的框架结构进行仿真建模,构建半主动减震控制系统。比较分析不同地震波作用下,结构在不施加控制、被动控制、经典最优半主动控制和序列最优半主动控制状态下的动力响应。仿真结果表明三种控制均能减小结构的动力响应,其中,序列最优半主动控制整体上对结构各层响应峰值的控制效果最好并具有较高的精确性,且从经济性与可靠性等因素考虑下优先选择半主动控制算法。另外,实际测试中需考虑内外因素影响,尽可能减小与仿真分析之间的误差。
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