泡沫铝复合材料的力学性能及减震应用试验研究

摘要

结构的消能减震技术作为一种有效的抗震技术，已经在工程中得到了广泛的应用。由于消能减震技术的关键在于所使用的阻尼材料，故若能研制出一种兼具阻尼和刚度一体的新型高阻尼材料，必能推动消能减震技术的发展。本文采用渗流的方法，将聚氨酯填充入球形开孔泡沫铝的孔洞内，制备成一种具有网络互穿式结构的泡沫铝复合材料(Aluminum Foam/Polyurethane composites，简写为AF/PU)。
　　为了能将AF/PU应用于土木工程结构的消能减震技术中，本文围绕AF/PU的力学性能和减震应用这两个方面，在AF/PU的单调和循环压缩性能试验、简化本构模型、AF/PU摩擦阻尼器的性能测试及力学模型、复合型AF/PU阻尼器在相邻建筑结构的减震控制应用等方面进行了系统深入的研究。所开展的主要研究工作和所取得的主要成果包括:
　　(1)开展了AF/PU的单调压缩性能试验，对比了AF/PU、纯泡沫铝和聚氨酯单调压缩性能，分析了外围聚氨酯对AF/PU的力学贡献，探讨了铝体积分数对AF/PU单调压缩性能的变化规律。结果表明，AF/PU的压缩强度和刚度主要受铝体积分数的影响，而聚氨酯的贡献甚微，可忽略外围聚氨酯的影响。使用Avalle宏观唯象本构模型模拟了AF/PU的单调压缩行为，其结果与试验结果吻合较好。
　　(2)进行了AF/PU的循环压缩性能试验，研究了加载幅值、加载速率和循环次数等加载工况对AF/PU的峰值应力、变形模量、耗能能力及残余应变等力学性能参数的影响规律，揭示了AF/PU的耗能机制主要为泡沫铝骨架与聚氨酯的界面摩擦阻尼。在此基础上，建立了适于AF/PU工程设计的简化四折线本构模型，该模型直观地反映AF/PU在整个变形过程中的宏观弹性性能和超弹性性能，并通过数值仿真结果和试验结果，验证了该模型的有效性。
　　(3)设计并制作了一种新型AF/PU摩擦阻尼器，进行了该阻尼器装置的力学性能试验，研究了预压力、加载频率、位移幅值和循环次数对该阻尼器的输出力、刚度和耗能能力等力学性能参数的影响。根据该阻尼器的受力特性，建立了修正Bouc-Wen模型，采用分步骤缩小参数取值范围的遗传算法对该模型进行参数识别，并对该阻尼器的力学性能进行了数值模拟。结果表明，该阻尼器是一种典型的位移幅值相关性的变刚度摩擦阻尼器，具有耗能能力强和刚度可变等特性。
　　(4)利用AF/PU摩擦单元与AF/PU压缩单元并联的工作原理，研制了一种新型的复合型AF/PU阻尼器，测试了加载频率和位移幅值对该阻尼器力学性能的影响。基于OpenSees软件平台编写的分线性段本构模型可用于该阻尼器力学性能的数值模拟。最后，以两栋分别为8层与3层的相邻框架结构为算例，对该阻尼器在该相邻结构体系中的地震反应进行了数值分析，并分别与吸振材料和粘滞流体阻尼器的消能减震体系做对比，验证了该阻尼器在相邻结构减震中的良好效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 结构耗能减震技术的研究现状

1．2．1 结构振动控制的概念及分类

1．2．2 被动控制的研究与应用

1．2．3 耗能减震技术的研究和应用

1．3 复合材料在耗能减震技术中的研究现状

1．3．1 传统复合材料

1．3．2 网络互穿结构复合材料

1．4 泡沫铝复合材料的性能研究现状

1．4．1 泡沫铝

1．4．2 泡沫铝复合材料

1．5 泡沫铝复合材料(AF／PU)的制备工艺

1．6 本文研究的主要内容

第二章 泡沫铝复合材料(AF／PU)单调压缩力学性能试验

2．1 引言

2．2 试验概括

2．2．1 试验样品的选择

2．2．2 试验方法

2．3 单调压缩试验结果分析

2．3．1 AF／PU、泡沫铝、聚氨酯单调加载力学性能的比较

2．3．2 外围聚氨酯对AF／PU力学性能的影响

2．3．3 不同铝体积分数的AF／PU单调加载力学性能的比较

2．3．4 AF／PU有效弹性模量界限预测

2．4 本章结论

第三章 泡沫铝复合材料(AF／PU)循环加／卸载压缩力学性能试验

3．1 引言

3．2 试验方法和过程

3．3 试验结果分析

3．3．1 骨架曲线和受力机制

3．3．2 铝体积分数对AF／PU力学性能的影响

3．3．3 加载幅值对AF／PU力学性能的影响

3．3．4 加载速率对AF／PU力学性能的影响

3．3．5 循环次数对AF／PU力学性能的影响

3．3．6 部分加卸载对AF／PU力学性能的影响

3．4 本章结论

第四章 泡沫铝复合材料(AF／PU)压缩循环及简化力学模型

4．1 引言

4．2 压缩疲劳试验分析

4．3 循环再压缩试验分析

4．3．1 试验方法

4．3．2 加载频率的影响

4．3．3 加载幅值的影响

4．3．4 铝体积分数的影响

4．4 本构模型的简化

4．4．1 单调压缩本构模型

4．4．2 循环压缩简化本构模型

4．4．3 数值模拟

4．5 本章结论

第五章 泡沫铝复合材料(AF／PU)摩擦阻尼器性能试验

5．1 引言

5．2 AF／PU摩擦阻尼器的构造及工作原理

5．2．1 结构构造

5．2．2 工作原理

5．3 试验概况

5．3．1 AF／PU摩擦阻尼器的设计参数

5．3．2 试验目的

5．3．3 试验方法

5．4 试验结果

5．5 试验分析

5．5．1 预压力对AF／PU摩擦阻尼器性能的影响

5．5．2 加载频率对AF／PU摩擦阻尼器性能的影响

5．5．3 位移幅值对AF／PU摩擦阻尼器性能的影响

5．5．4 循环次数对AF／PU摩擦阻尼器性能的影响

5．6 本章结论

第六章 泡沫铝复合材料(AF／PU)摩擦阻尼器的力学模型

6．1 引言

6．2 修正Bouc-Wen模型

6．3 模型的参数辨别

6．3．1 模型的参数分析

6．3．2 遗传算法辨识

6．3．3 分步骤缩小参数取值范围

6．4 模型验证

6．4．1 拟合结果验证

6．4．2 预测结果验证

6．5 修正Bouc-Wen模型的扩展

6．5．1 模型的扩展

6．5．2 模型的验证

6．6 本章结论

第七章 泡沫铝复合材料(AF／PU)在相邻建筑物的减震控制应用

7．1 引言

7．2 复合型AF／PU阻尼器性能试验

7．2．1 阻尼器的构造

7．2．2 工作原理

7．2．3 性能试验测试

7．3 复合型AF／PU阻尼器的力学模型

7．3．1 压缩单元的分线性段本构模型

7．3．2 基于OpenSees的本构模型二次开发

7．3．3 复合型AF／PU阻尼器的数值模拟

7．4 相邻建筑结构的减震控制

7．4．1 相邻结构的有限元模型

7．4．2 复合型AF／PU阻尼器减震效果

7．4．3 抗碰撞装置的减震控制效果对比

7．5 本章结论

第八章 全文结论及展望

8．1 主要结论

8．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果