可变阻尼材料用于板类结构振动抑制研究

摘要

随着高层建筑数量的不断增加，抵抗风荷载的意义也越来越大，特别是超高层建筑、超大跨度桥梁和大跨空间结构等大型复杂结构的大量兴建，结构设计呈现出更高、更柔的发展趋势。如何最大限度的保证结构的安全，是目前一个现实而又重大的课题。 粘滞阻尼消能减震技术是一项较新的抗振技术，可以给结构提供较大的阻尼，大幅度地降低结构的位移和加速度反应，提高建筑物的抗风性能，同时具有安装方便、性能可靠等特点。而电流变液是一种极有发展前景的新颖材料，通常由不导电的母液和均匀散布在其中的电介质微粒组成。在电场作用下能从流动性很好的牛顿流体转变为屈服应力很高的粘弹性体，这种转变连续、可逆、迅速且易控制。 本文采用理论和实验相结合的方法，依据平板结构有限元计算原理及响应分析，确定研究对象为双层结构阻尼板。在理论上充分分析了不同电流变阻尼板的理论模型及工作原理，利用电流变液粘度和剪切屈服应力随电场强度改变迅速、可逆变化这一特殊力学性能，设计并制作了不同类型的电流变阻尼板，即利用两块厚薄不一样的电流变夹层板，里面充满电流变液，两极充电后电流变液的粘性发生相应变化，从而增加板的刚度和振动阻尼，起到减振的效果。通过对含电流变液的夹层板传递函数的测定，发现电流变液在外加高电场的作用下，不但产生阻尼效应，同时也存在刚度效应，得出了外加电场强度对含电流变液夹层板振动特性的影响规律，研究结果表明这将对电流变减振器的应用和结构振动控制理论的研究提供极具价值的参考。

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第一章绪论

1.1引言

1.2振动分析基本理论

1.2.1激扰、响应和系统特性

1.2.2振动系统模型

1.2.3振动分析方法

1.3薄板自由振动分析法——能量法

1.3.1哈密顿原理

1.3.2板的能量计算

1.3.3薄板振动的能量解

1.3.4瑞利法

1.3.5瑞利法应用一例

1.4本文研究的内容

第二章薄板振动分析的有限元素法

2.1引言

2.2基本关系式

2.3非协调的矩形板弯元素

2.3.1单元刚阵

2.3.2单元质量矩阵

2.3.3结点等效荷载

2.4板的自由振动

2.5广义特征值问题的求解

2.5.1化广义为标准特征值问题

2.5.2标准特征值的求解

2.6板的受迫振动

2.6.1模态迭加法

2.6.2部分模态迭加法

2.7本章小结

第三章模型建立及计算结果

3.1模型建立

3.1.1程序流程图

3.1.2输入数据

3.2计算结果

3.2.1不加电流变液的夹层板

3.2.2加电流变液的夹层板

3.3数学模型转化

3.4系统稳定性分析

3.4.1直接判定方法

3.4.2 Nyquist图

3.4.3稳定裕量分析

3.5系统响应分析

3.6系统的可控性和可观测性分析

3.6.1系统可控性分析

3.6.2系统可观测性分析

3.7本章小结

第四章电流变液和电流变效应

4.1电流变液概述

4.2电流变液的性能研究

4.2.1电流变液的力学性能

4.2.2电流变效应的机理

4.2.3电流变液的材料配方

4.3本章小结

第五章实验过程与结果分析

5.1引言

5.2线性二次型最优控制基本原理

5.3线性二次型最优控制器设计

5.3.1 Riccati微分方程求解及控制器设计

5.3.2加权矩阵的调整

5.4闭环系统分析

5.4.1稳定性分析

5.4.2 Nyquist图

5.4.3稳定裕量分析

5.4.4闭环系统响应分析

5.5实验准备过程

5.5.1电流变夹层板的制作

5.5.2电流变液的静态屈服应力测定

5.5.3电流变液的配制

5.6实验

5.6.1电流变液宾汉屈服应力τ的测定

5.6.2实验仪器的连接示意图及装配示意图

5.7实验数据记录

5.8分析仪图形

5.9计算值与实验值的对比

5.10本章小结

结论及展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间发表的论文)