土木工程中MRE智能声子晶体的低频带隙隔震机理研究

The traditional basic isolation is achieved by the rubber with low stiffness and damping characteristics in civil engineering, but the isolation is not harsh vibration control environment. Phonon crystals because of its unique band gap characteristics is highly concerned by the vibration control industry. Systematic study abroad for the magnetorheological elastomer material into civil engineering isolation and systematic study about the low frequency band gap isolation based on phonon crystal mechanism are not sufficient. This project research on low frequency band gap isolation mechanism of smart phononic crystals based on MRE. The main works contain: (i) study on low frequency band gap properties of phononic crystals based on MRE composite material with high magnetorheological effect; (ii) study the intelligent regulation of phononic crystals low frequency band gap under magnetic field; (iii) numerical and experimental study on low frequency band gap isolation characteristics of smart phononic crystals based on MRE material. Through the investigation of these fundamental issues, built theoretical model of two-dimensional phononic crystal with low frequency band gap and wide bandwidth, reveal physical parameters phononic crystal components influence law of the band gap. The intelligent regulation under magnetic field can be performed. Then, study and manufacture smart phononic crystals seismic isolator with low frequency band gap properties. The research results will be important to scientific significance and application value for the development of the theoretical system of low frequency band gap isolation of smart phononic crystals in civil engineering.

土木工程中传统基础隔震依赖橡胶低刚度和阻尼特性得以实现，并不适应恶劣的振动控制环境。声子晶体因其独特的带隙特性而受振动控制行业的高度关注。国内外对于将磁流变弹性体引入土木基础隔震并利用声子晶体机理实现低频带隙隔震的系统研究尚不充分。本项目拟基于MRE材料对土木工程中智能声子晶体低频带隙隔震机理进行研究。项目的主要研究内容包括：(1) 基于高性能MRE材料的声子晶体低频带隙特性研究；(2) 外加磁场对MRE声子晶体带隙的智能调控研究；(3) MRE智能声子晶体低频带隙隔震性能的数值模拟及试验研究。通过这些研究，建立低频带隙且带宽较宽的二维声子晶体理论构架模型，揭示声子晶体中组分材料的物理参数对低频带隙的影响规律。研究外加磁场对声子晶体低频带隙的智能调控，研制具备低频带隙可调特性的智能声子晶体带隙隔震器。项目研究对推动土木工程智能声子晶体低频带隙隔震理论体系的发展具有重要的科学意义和应用价值。

土木工程中传统基础隔震依赖橡胶低刚度和阻尼特性得以实现，并不适应恶劣的振动控制环境。声子晶体因其独特的带隙特性而受振动控制行业的高度关注。本项目的主要研究内容包括：(1) 基于高性能MRE材料的声子晶体低频带隙特性研究；(2) 外加磁场对MRE声子晶体带隙的智能调控研究；(3) MRE智能隔震器研发及性能的数值模拟与试验研究。重要结果如下：(1)通过向聚醚型聚氨酯橡胶中均匀分散羰基铁粉，并采用硫磺硫化体系和过氧化物硫化体系，利用开炼机混炼工艺及热磁耦合固化系统，研制出高磁致效应，低损耗因子的刚度和阻尼均可控的高性能MRE，其最大绝对模量变化5MPa，磁流变效应可达440%；(2)研制出一种新型的类液态聚合物胶质基体的高剪切屈服强度的MRG，其最大剪切屈服强度达到92.1kPa，磁流变效应可达2429%-18597%；(3)对聚醚型聚氨酯橡胶基硫磺硫化体系MRE声子晶体，外加磁场引起基体磁流变弹性体剪切模量的改变，从而能够利用外加磁场调控声子晶体的带隙位置及宽度；带隙小于1Hz，可调带宽0-0.15Hz；(4)建立了以圆柱形铅散射体按正方晶格排列的MRE二维声子晶体模型，采用典型的平面波展开法和有限元法研究其能带结构和透射特性，揭示声子晶体中组分材料的物理参数和磁场对带隙的影响规律；(5)研制了“挤压型MRE智能隔震器”和“周期布置剪切型MRE智能隔震器”两种隔震器，前者低频出力达42.9吨，高频出力达1.06吨，后者低频出力达19.8吨，高频出力达1.20吨。通过这些研究，建立二维声子晶体理论构架模型，揭示了声子晶体中组分材料的物理参数对带隙的影响规律。MRE智能隔震装置的结构、磁路、散热的关键技术研究，以及力学特性试验，可为智能隔震减振装置确定合理的制备工艺参数范围，正确设计、制造提供经验和技术参考。项目研究对推动土木工程智能隔震理论体系的发展具有重要的科学意义和应用价值。