结构MRE磁致变刚度-隔震一体化智能支座及其隔震性能

磁流变弹性体（MRE）是一种剪切弹性模量可由磁场实时、可逆、迅速控制的新型智能材料，可用于制作刚度可控的变刚度隔震一体化智能支座。本项目首先建立了压剪荷载下有序结构MRE磁致变刚度机理模型，分析了竖向压应力对MRE磁致剪切模量的影响；继而以羰基铁粉和硅橡胶制作结构有序、颗粒体积含量为30%的MRE，测试结果表明，MRE的磁致剪切模量随磁场强度、压应力的增大而增大，且试验结果与理论吻合较好；第三，对MRE进行松弛性试验，结果表明MRE具有粘弹性材料的松弛及蠕变特性；基于其松弛性能曲线，建立五参数广义Maxwell模型、三参数分数阶Kelvin-Voigt模型和含摩擦耗能元件的五参数分数阶模型，结果表明五参数分数阶模型的计算效率最高，以此为基础建立智能隔震支座的力学模型；第四，以无磁场条件下发挥普通隔震支座功能为前提，根据现有的橡胶隔震支座规范制定了智能隔震支座的力学设计方法；以设计控制力为目标，确定最大磁场，并利用电磁学理论计算和有限元计算结合的方式制定了磁路设计方法；第五，在不同磁场作用下对智能隔震支座施加不同频率、不同位移幅值的正弦荷载、不同位移幅值的扫频荷载及随机荷载，测试智能隔振支座的力-位移曲线，试验结果与力学模型计算结果吻合，证明所提出的力学模型准确；最后，提出了磁流变弹性体智能隔震体系的三种控制方法，结合试验室的实际条件和试验目的，确定MRE智能隔震系统试验装置。 2100433B

常规隔震系统频带窄、限位难，磁流变弹性体（MRE）的压剪特性与橡胶类似，可用于隔震，且其剪切刚度可由磁场调节，是制作主动变刚度隔震一体化智能支座的理想材料。MRE智能支座既可根据输入自适应调节刚度具有宽频带隔震特性，也可根据支座位移自适应调节刚度具有自限位功能。考虑与小型吸振装置的纯剪切模式不同，智能支座的MRE承受压剪作用，基于此本项目理论研究建立压剪作用下MRE的斜链耦合场模型，推导压剪受力下MRE的磁致剪切模量公式,揭示MRE压剪受力下磁致机理；进行不同压力和频率下MRE磁致剪切性能的试验,验证理论模型，揭示压力与频率对其性能的影响规律；建立基于MRE本构关系的智能支座滞回模型，确定其等效刚度与阻尼比计算方法；设计MRE智能支座，试验研究不同压力和激励频率下智能支座的性能，验证滞回模型；研究多目标集成半主动控制算法，进行智能支座隔震结构的振动台试验，验证其宽频带隔震效果和自限位功能。

常规隔震技术存在适用频率窄、限位难等问题，混合控制、设置限位装置、磁流变弹性体智能隔震等技术导致结构体系复杂，无法推广应用。电流变弹性体（ERE）的动态力学性能可由电场控制，可取代橡胶制作新型智能隔震支座，其刚度可自适应调节，且结构简单，有望解决现有隔震技术的不足。本项目根据结构宽频带隔震的现实需求，首先依据巨电流变机理，制备高性能的电流变弹性体并研究其性能；继而基于ERE的分数阶本构模型，建立ERE智能隔震支座的力学模型，提出其设计方法；然后，根据ERE智能隔震体系的分数阶导数模型，建立ERE智能隔震结构的分数阶PID控制算法；最后，对基于ERE智能隔震支座的单自由度体系和多自由度体系进行模拟振动台试验，评价其抗震性能。本项研究涉及与ERE智能隔震支座相关的材料制备、隔震支座力学模型及设计方法、控制算法、隔震评价等问题，具有重要的科学意义；研究成果将为ERE智能隔震支座的应用奠定基础。

常规隔震技术存在适用频率窄、限位难等问题，基于对电流变弹性体智能特性的理解，开发电流变弹性体智能隔震支座，并研究其力学模型及隔震性能。主要研究成果包括：（1）高性能电流变弹性体的制备及其性能研究。基于极性分子型电流变理论，采用尿素极性分子对TiO2颗粒进行表面包覆，制备出TiO2/尿素核壳颗粒，试验结果表明，填充TiO2/尿素颗粒的弹性体在0~3 kV/mm具有更高的储能模量，且在较低的外加电场下(0~2 kV/mm)可以表现出更高的相对电流变效应；采用3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(A174)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTEO)两种硅烷偶联剂对无定型态TiO2颗粒和硅橡胶的界面进行改性。由于两相界面结合强度和改性颗粒极化强度的提高，TiO2/V1颗粒填充的弹性体具有较小的零场储能模量和较高的外加场下储能模量，其相对电流变效应达到了最高的315%。（2）结构ERE 智能隔震支座力学模型及设计方法。基于对电流变弹性体动态粘弹性性能的测试结果，建立电流变弹性体材料的修正Bouc-Wen本构模型，且利用Matlab软件仿真模拟进行模型参数识别，并分析本构模型各个参数与电场强度的相关性。研究结果表明，修正Bouc-Wen本构模型可以精确地描述电流变弹性体在各个工况下的力学性能；在此基础上设计了ERE变刚度装置，然后以ERE本构模型为基础，以力学、电场分析为手段，建立了ERE变刚度支座力学模型；继而，通过试验评价ERE变刚度智能隔震支座的性能，并验证了ERE变刚度支座力学模型的准确性。（3）ERE 智能隔震支座结构的控制算法及抗震性能试验。在ERE变刚度支座力学模型的基础上提出了智能隔震系统的设计方法及控制算法；制定了具体的ERE智能隔震系统设计方案并建立结构仿真模型，通过Simulink仿真评估系统的智能隔震效果，同时利用ERE智能隔震系统结构振动台试验，验证了系统的智能隔震效果。结果表明，按照ERE智能隔震系统设计方法设计出的智能隔震系统能够实现预期设计减震比。本研究为结构变刚度智能隔震技术的实际工程应用奠定了基础，也为电流变弹性体的应用开辟了新的方向。 2100433B