面向波浪载荷的磁流变弹性体减振机理研究

Wave loadings have the properties of multi-direction, random, wide-band and low frequency. The present offshore platform dampers only work for a narrow frequency range or in single-direction, which are not efficient to mitigate the wave loading. Magnetorheological elastomers (MRE) can attenuate the random loading in multi-direction and have the advantages of frequency-shift in wide-band, which demonstrates MRE is a potential candidate for vibration reduction of offshore platform under wave loadings. With the combination of particle dynamic method, mechanical-magnetic coupling algorithm, multi-scale modeling and experimental test, this project aims to study the vibration attenuation mechanisms of MRE under wave loadings. The dynamic model of MRE micro-particle-chain is established, and the relationships between MRE micro-structural characteristics and the wave loading properties are studied. It is analyzed that the wave propagation characteristic of MRE under wave loadings. The micro-structural characteristics of MRE that are suitable to attenuate wave loadings are also explored. The multi-scale model by the mechanical-magnetic coupling analysis is developed, and the field-induced mapping relationships between MRE micro-structural characteristics and its macro-properties are studied. The field-induced frequency-shift mechanism of MREs is investigated. This research provides a theoretical basis for the application of MRE in vibration control of offshore platform, and further rich the theory of intelligent vibration control of ocean engineering.

波浪载荷具有多维、随机、宽带低频特性，现有海洋平台减振方法存在减振方向单一、频率适应范围窄等不足，无法达到高效减振的效果。磁流变弹性体可在宽频范围内衰减结构在多维、随机载荷激励下的振动响应，可能是海洋平台减振的理想选择。为此，本项目运用颗粒动力学理论、力-磁耦合分析、多尺度建模和实验测试相结合的方法，围绕波浪载荷激振特征，开展磁流变弹性体减振机理研究。从微尺度入手，建立颗粒链动力学模型，研究材料微观结构特征对衰减波浪载荷的影响规律，分析磁流变弹性体对低频波浪载荷的衰减机制，探寻适于衰减低频波浪载荷的微观结构特征；通过基于力-磁耦合的多尺度建模，构建材料微观结构特征与宏观力学特性的场响应映射规律，阐明磁流变弹性体磁致宽频减振机理，以适应波浪载荷的宽频带特性。研究成果为磁流变弹性体在海洋平台振动控制中的应用奠定理论基础，有望进一步丰富海洋工程智能化振动控制理论。

波浪载荷是海洋平台承受的主要环境动力载荷，具有宽带低频特性，由其激励产生的振动是造成平台结构疲劳破坏的主要根源。开展针对波浪载荷特性的平台减振技术研究，对提高结构可靠性，延长平台使用寿命，改善作业人员舒适感具有重要的现实意义。磁流变弹性体是一类磁致智能材料，其力学特性具有场控可调节性，能够在宽频范围内有效衰减结构的随机动力响应，尤其适用于低频减振，有望解决平台结构的波激振动问题。为此，本项目通过颗粒动力学理论、力-磁耦合分析、结构动力学分析和试验测试相结合的方法，研究了磁流变弹性体衰减宽带低频载荷的作用机制，建立了面向波浪载荷的磁流变弹性体减振理论体系。主要完成了磁流变弹性体微观链化建模及动态载荷衰减特性研究，获得了链化结构关键特征参数对耗能减振特性的影响规律；开展了基于力-磁耦合建模的磁流变弹性体磁致减振特性研究，创建了力-磁耦合数值计算方法，分析了链化特征参数与宏观减振力学性能的场响应规律；制备了磁流变弹性体材料，研究了颗粒体积百分含量、成型方式、磁场强度等对磁流变弹性体力学性能的影响规律；研制了宽频磁流变弹性体隔振器，测试了器件的磁致移频特性及其在不同频率、幅值、磁场强度下的动力学特性并进行了非线性动力学建模，证实了智能器件的宽频振动控制效果；提出了基于磁流变弹性体智能隔振系统的海洋平台振动控制方法，建立了平台-磁流变弹性体系统耦合动力学模型，分别从时域和频域角度分析了有/无磁流变弹性体隔振装置的平台动力响应，评估了所提振动控制方法的有效性。通过本项目的研究可获得针对波浪载荷激励下的磁流变弹性体平台结构减振技术，为平台智能控制应用提供了理论基础，具有重要的科学意义和研究价值。基于本项目的研究，培养硕士研究生3名，项目负责人围绕面向波浪载荷的磁流变弹性体减振机理发表学术论文十余篇，以第一作者发表高水平SCI论文6篇（本项目均为第一标注致谢），授权发明专利1项，软著4项。