電流變液夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和振動(dòng)控制.pdf

1、電流變液(Electrorheologicalfluid，ERfluid)是一種特殊的，性能較為突出的作動(dòng)材料。這種材料屬于懸浮型流變液體，在外加電場的作用下，流變體材料的表觀粘度、彈性、塑性等流變性能會(huì)發(fā)生顯著的可逆變化；當(dāng)外加場強(qiáng)超過某臨界值后，電流變體可以在幾個(gè)毫秒內(nèi)從液態(tài)變?yōu)轭惞虘B(tài)，而且材料內(nèi)部力學(xué)性能也得到增強(qiáng)，一般體現(xiàn)為拉、壓以及剪切屈服應(yīng)力的增大。由于它具有響應(yīng)速度快，工作能耗低，致動(dòng)力變化范圍大，埋放工藝和控制方式簡單等

2、優(yōu)點(diǎn)，利用這些材料特點(diǎn)所制成的自適應(yīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)則可以直接實(shí)現(xiàn)與作動(dòng)控制器的一體化結(jié)合，得到具有良好適應(yīng)性和控制性能的智能結(jié)構(gòu)。 作為智能材料，雖然電流變材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，但是其特殊的流變物理特性給理論研究工作增加了困難。目前所采用的流變復(fù)合結(jié)構(gòu)分析方法在體現(xiàn)流變材料力學(xué)特性和復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)成特征等方面仍存在不足，為此，需要尋找一種更為簡便，合理，有效的建模方案，使之提供的流變體復(fù)合結(jié)構(gòu)模型能夠較為全面準(zhǔn)確地反映出流變材

3、料在復(fù)合結(jié)構(gòu)中所體現(xiàn)的力學(xué)特性。 本文的研究目的正是探求針對電流變自適應(yīng)夾層結(jié)構(gòu)理論研究的簡便、合理、有效的實(shí)驗(yàn)建模分析方法，以便改善和提高此類結(jié)構(gòu)分析的精度和真實(shí)性;同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)考察不同類型的分布式電流變自適應(yīng)夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性變化規(guī)律以及對外激勵(lì)響應(yīng)的控制狀況，總結(jié)和分析電流變復(fù)合結(jié)構(gòu)動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)內(nèi)在影響因素及外部工況條件之間的相互關(guān)系，為電流變智能材料在工程中的應(yīng)用提供實(shí)踐指導(dǎo)。為此全文圍繞流變材料特性分析和流變性能測試

4、，電流變材料特性參數(shù)識(shí)別以及分布式電流變材料自適應(yīng)夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測試和實(shí)驗(yàn)建模分析這幾個(gè)方面展開。本文的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(19972054)的資助。這項(xiàng)研究在實(shí)驗(yàn)和理論上都取得一些新的成果，得到的結(jié)論對于電流變液夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析具有指導(dǎo)意義。 本文主要的研究工作和成果如下：1)對電流變學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，流變效應(yīng)特征，應(yīng)用原理及工程應(yīng)用概況進(jìn)行了綜述，介紹了電流變材料及其自適應(yīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的理論研究現(xiàn)狀并指出了存在

5、的不足之處。 2)基于能量等效原理分析了幾種常見的流變模型與粘彈性模型之間的等效參量變換，考察了各模型在不同外激勵(lì)頻率和激勵(lì)幅值作用下的等效材料參數(shù)變化，并對各流變模型所體現(xiàn)的材料特性進(jìn)行了對比。利用電極測試方法和流變儀對自行配制的電流變液材料分別進(jìn)行了篩選和流變性能測試，得到了零場條件下電流變液的流變特性和粘彈特性參量。測試表明，配制的電流變液在零場情況下為“剪切變稀，，型懸浮液，具有Bingham流體的特性。 3)基

6、于粘彈性阻尼夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析方法基礎(chǔ)上對電流變材料夾層梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。推導(dǎo)和建立了流變體夾層梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型，而后經(jīng)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)、材料參數(shù)識(shí)別完成了電流變夾層梁結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)建模并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了電流變體夾層梁結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度的外電場作用時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性變化，揭示了不同封邊材料及外激勵(lì)作用對流變體夾層梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的作用和影響。研究表明，電流變液夾層梁的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼隨著外加電場的增大而增大，其中以阻尼

7、的增幅尤為明顯；確定的電場作用下，隨著激勵(lì)幅值的增大，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼下降，而且這種變化趨勢隨著場強(qiáng)的增大而變得更為明顯；封邊材料對于夾層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性有明顯影響，不能簡單地忽略，用于密封的材料宜與電流變體的材料特性相近或差異不大，這樣既可以確保流變體夾層結(jié)構(gòu)在電場作用下具有較寬的控制和調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)也有利于流變體復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)的控制和實(shí)現(xiàn)。 4)利用ABAQUS軟件建立了密封夾層板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，采用第二章中得到的流變

8、材料和封邊材料模型對夾層板動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值仿真。計(jì)算結(jié)果說明該模型能夠較真實(shí)地反映電場作用下電流變液夾層板結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合。研究結(jié)果表明：借助ABAQUS軟件強(qiáng)大的材料非線性分析平臺(tái)，可以方便地將流變材料、封邊材料等結(jié)構(gòu)部件的復(fù)雜材料特性進(jìn)行整合，提高了計(jì)算效率和分析精度；電流變夾層板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性對激勵(lì)幅值變化的敏感度同時(shí)受外加場強(qiáng)和結(jié)構(gòu)剛度的影響，場強(qiáng)增大，敏感度上升，剛度愈小，敏感度越大。 5)設(shè)