结构ERE智能隔震支座的力学模型及隔震性能研究

Common seismic isolation technology only works in narrow frequency, and the displacement of the isolator is difficult to control. Installing active control device, stop block, or magnetorheological elastomers-based isolator can solve the problem to some extent, but makes the system be complicate. Electrorheological elastomer (ERE) is a new kind of smart materials. Its dynamic properties can be tuned by electric field strength. Therefore, it can be used to replace rubber to fabricate smart isolator with tunable stiffness. The structure of the ERE-based smart isolator is simple, which have the potential to overcome the weakness of the present seismic isolation technology. In this project, firstly, according to the requirement of the structure isolation in wide frequency, EREs with excellent properties will be prepared based on the mechanism of giant electrorheological fluids. Secondly, the mechanical model of the ERE-based smart isolator will be established based on the constitutive model of the ERE. On the basis of the mechanical model, a design method for ERE-based isolator will be proposed. Thirdly, the PID control strategy of the ERE isolated structures will be established based on the fractional order model of the system. Finally, to evaluate the earthquake resistant behavior of the ERE isolated structures, shake table tests will conducted for single-degree-of-freedom system and multiple-degree-of-freedom system installed ERE-based smart isolators. The project is meaningful to the application of the ERE-based smart isolator in practical engineering.

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。