申请人：戴宗杰 刘庆斌 刘昭

MRE构件的力学特性及其在结构抗震中的应用研究

立项背景目的和意义项目的创新点项目原理及效果简图成果展示成果总结可行性与难点经费预算项目组成员分工参考文献及相关专利发明致谢

目录

立项背景

磁流变弹性体的雏形出现在 1995 年，由日本丰田中心研发实验室 Shiga等人尝试使用硅树脂和铁粉混合制备出具有磁控性能的材料，该材料当时被称为具有磁致粘弹性的凝胶。 Ginder 、 Davis 等人对基体为天然橡胶的磁流变弹性体进行了建模并对其粘弹性行为进行了研究。 Bednarek 对磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了较系统分析。 Dorfmann 等人分别利用不变量理论及选用应变能函数对磁流变弹性体在平板剪切及圆柱轴向剪切下的力学性能进行了分析。同时 , 新加坡、英国、奥地利等国的研究学者也对 MRE 进行了相关的研究。 我国在磁流变材料方面的研究起步较晚 , 且研究范围主要在磁流变液及其应用方面。自 2002 年开始 , 中国科学技术大学龚兴龙等对磁流变弹性体进行了开拓性研究 , 制备了磁流变弹性体样品 , 并探讨了其微观模型和力学性能测试方法 , 为 MRE 性能的改进和工程应用打下了基础。此外，哈尔滨工业大学和大连理工大学对磁流变弹性体的磁致伸缩性能进行了研究。佛山大学研制了一种自定心挤压式和剪切式磁流变弹性体阻尼器，分析磁流变弹性体的力学性能随磁场变化的规律，并把这种碰流变弹性体阻尼器应用于转子振动控制系统试验研究剪切模量的变化对转子系统振动特性的影响。 本项目的研究构想是通过耦合场理论来分析磁流变弹性体构件在强磁场中的变形、应力等力学参量的变化，并在此基础上研究该种材料在建筑减振、隔振中的应用。

目的和意义

目的：根据国内外已提出的磁流变弹性体的力学模型及其特性的基础上，具体研究 MRE 构件的力学性能及其构件在耦合场作用下的数值计算方法，并在此基础上探讨如何发挥这种材料的特性，将其布置到结构之中，从而减小地震对建筑物的损害。 意义： 1 ：未来的工业技术的发展必然依靠新材料、新工艺，尤其是智能材料的发展，所以，研究智能材料 MRE 构件的力学特性、了解材料的制备的力学性能有着深远的学术意义。 2 ：地震是一种严重的自然灾害，一旦发生便会带来惨重的损失，我国地域广阔，地震频繁而强烈，仅近十几年已发生过多次灾害性的大地震，加强建筑的抗震工作尤为重要，将 MRE 的理论研究同建筑减振结合起来，增强建筑的抗震效果，协调结构在地震波中的变形，从而减小结构在地震中的损伤。这在大地震频发的今天具有很重要的社会意义。

项目的创新点

1 ：作为一种新型的智能材料，磁流变弹性体（MRE）兼有磁流变材料和弹性体的优点，又克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点，它的刚度可以通过调节磁场强度来改变，从而改变了系统的固有频率。这就使得复杂、精密系统避开共振频率，达到移频隔振的效果。

2 ：该项目将 MRE 的理论研究同建筑减振结合起来，因为 MRE 材料在外加磁场作用下迅速变形，且自身的剪切模量发生很大变化，使得自身发生大变形的同时发生硬化，并且其反映速度非常快。这一特性可以结合加速度地震传感器，及时作出反应，协调结构在地震波中的变形，从而减小结构在地震中的损伤。做到“主动”抗震。

3 ：本项目拟应用理论进行求解一维和二维结构在耦合场中的应力、变形、电磁场参数与加载的机械场和机械场参数的关系，在理论研究中建立起一维和二维问题的基本方程，开发相应算法并编制程序，计算由磁流变弹性体制成的构件在电磁场、机械场作用下的静力和动力特性，这就将理论的建立与具体问题的数值计算结合在了一起。

项目的创新点

项目的创新点

磁流变弹性体由高分子材料机体，软磁颗粒，添加剂组成

1.磁致效应显著2.响应速度快，可逆性好3.材料稳定性好，不沉降4.使用简单，无需密封

项目原理及效果简图

• 本项目拟将智能材料 MRE 运用到建筑物抗震的领域中，通过 MRE 、加速度地震传感器与建筑物的结构系统（建筑物的骨架，承载建筑物内外荷载相关部件）相结合，在地震波到来时作出及时、有效的反应。具体的步骤是：传感器接收到地震波（ ms 级），从而控制在 MRE 构件上所加的磁场，从而改变智能材料 MRE 的力学性能，协调结构在地震波中的变形，达到主动抗震的效果。建筑结构简图如下：

项目原理及效果简图

成果展示

• 通过运用 ansys 软件构建 3 层框架计算示意图：

成果展示

• 定义 Shell 3D 4node 181 单元 Beam 2node 188 单元为单元类型并对其进行设置，再对材料指定属性（弹性模量和泊松比）。材料为线性各项同性材料，其中 EX=2e11 ， PRXY=0.3 ，密度DENS=7800. 其中壳单元的厚度和其类型（ Thickness=2e-3 ）；梁的截面进行定义： B=0.004 ， H=0.004. 对杆和面进行网格划分，用子空间法进行模态分析（输入相应的频率、响应谱、模态扩展、模态叠加、核定模态方法选择 SRSS 方法）得到相应的计算数据

成果展示

位移矢量数据列表

成果展示

单元结果数据列表

成果展示

节点反力数据列表

成果展示

• 通过 MRE 、加速度地震传感器与建筑物的结构系统（建筑物的骨架，承载建筑物内外荷载相关部件）相结合，使 3 层框架的每一根梁起到主动增长或缩短，从而补偿在地震波作用下整体的结构的位移，避免在地震作用下发生破坏。我们在所构建的 3 层框架中从左往右依次进行随时间变化的主动补偿，分别得到结构其他点的随时间变化的位移变化曲线图。

• 支杆添加随时间变化的 Y 方向位移，结构整体的 X 方向的位移响应图

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• 支杆添加随时间变化的 Y 方向位移，结构整体的 Y 方向的位移响应图

成果展示

• 支杆添加随时间变化的 Y 方向位移，结构整体的 Z 方向的位移响应图

成果展示

• 左边振动的各点位移图

成果展示

• 左边振动的各点位移图

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• 中间振动的各点位移图

成果展示

• 中间振动的各点位移图

成果展示

• 右边振动的各点位移图

成果展示

• 右边振动的各点位移图

成果展示

• 在所建的 3 层框架结构中，加载一个瞬态地震波，其中时间和 xyz 方向的加速度的部分数据如下：

成果展示

• 地震波响应下的结构整体变形图

成果展示

• 因为MRE材料在外加磁场作用下迅速变形，且自身的剪切模量发生很大变化，使得自身发生大变形的同时发生硬化，并且其反映速度非常快。这一特性可以结合加速度地震传感器，及时作出反应，协调结构在地震波中的变形，从而减小结构在地震中的损伤。做到“主动”抗震。通过加载模拟地震波的动态补偿，得到补偿后的整体结构位移响应。

成果展示

• 补偿后的各点位移图

成果展示

• 补偿后结构整体变形图

成果总结

• 通过有限元分析，建立一个多层框架结构，模拟在地震波作用下，通过改变磁场来控制磁流变弹性体的纵向变形，协调结构立柱的纵向位移，以达到框架上层整体上下位移一致的效果。结合 MRE 的特性，磁流变弹性体在磁场作用下能显著改变其弹性模量，其应用装置具有无需密封、性能稳定、响应迅速等特点，在需要进行刚度控制的小振幅（小应变）振动系统中极具应用前景。在建筑工程中如果将磁流变弹性体（ MRE ）的理论研究同建筑减振结合起来，利用 MRE 材料在外加磁场作用下迅速变形，且自身的剪切模量发生很大变化，使得自身发生大变形的同时发生硬化，并且其反映速度非常快这一特性。通过 MRE 、加速度地震传感器与建筑物的结构系统（建筑物的骨架，承载建筑物内外荷载相关部件）相结合，在地震波到来时作出及时、有效的反应。从而协调结构在地震波中的变形，减小结构在地震中的损伤。做到“主动”抗震。具体的步骤是：传感器接收到地震波（ ms 级），从而控制在 MRE 构件上所加的磁场，从而改变智能材料 MRE 的力学性能，协调结构在地震波中的变形，达到主动抗震的效果。

• 具体分析如何在不影响结构的正常使用时的受力性能的基础上，添加该装置，并能使其在地震发生时发挥效力。

可行性与难点

1 ：根据国内外已提出的磁流变弹性体的力学模型，结合弹性力学的几何方程、运动方程、平衡方程及电磁场的麦克斯威尔方程建立起磁流变弹性体一维和二维结构的包含运动方程、几何方程和电动力学部分方程组的基本方程。2 ：磁流变弹性体自调谐吸振器的固有频率计算公式如下：

由公式（ 1）可知，当磁流变弹性体剪切模量 G 随外加磁场的改变而改变时，剪切刚度 k 将发生改变，从而实现吸振器的移频。由于磁流变弹性体材料自身的特点，其阻尼比较大，同时又无法从材料本身消除阻尼，而吸振器要保证好的减振效果又必须减小阻尼。理论上吸振器的阻尼降为零，可以完全消除主系统的振动，实现最理想的控制效果。

可行性：

1、制备的磁流变弹性体类型单一硬件设施面尚不完备，以及人员学科背景交叉性不强，对于其它类型磁流变弹性体研究进展缓慢。

2、缺乏对磁流变弹性体辅助添加剂的研究辅助添加剂可以一定程度上增加磁控性能与机械性能，拓宽磁流变弹性体的应用范围。

可行性与难点

难点：

参考文献及相关专利发明

• 1.田振国 , 白象忠 . 求解二维磁弹性问题的一种数值方法—差分正交离散 (DOD) 法 . （燕山大学学报 , 2008,32(2):153-15 ）

• 2.白象忠 , 田振国 . 离散正交法 (DOM)离散点的正交分析与程序设计 . （计算力学学报 ,2006, 23(6):678-683(EI: 20070610415151) ）

• 3.李国栋《 2003~2004年磁性功能材料研究新进展收到修改》，（中国科学院物理研究所，北京 100080 ）

• 4.陈琳《磁流变弹性体的研制及其力学行为的表征》，中国科学技术大学博士学位论文， 20090501

• 5.蒋海涛 颜令辉《智能材料在飞行器翼面结构中的应用探索》年，卷(期 )： 2008 ， (1) ；

• 6.余淼，严小锐，毛林章《一种刚度、阻尼可控的新智能材料——磁流变弹性体 》 ( 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044)

• 7. 汪建晓 ，孟 光《磁流变弹性体研究进展》 (1．佛山大学机电工程系，J 东佛山 528000 ；上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室，上海 200030)

• 8. 方 生，龚兴龙，张先舟，张培强《磁流变弹性体力学性能的测试与分析》 (中国科学院材料力学行为与设计重点实验室，中国科学技术大学力学与机械工程系，安徽合肥 230027)

• 9. 朱应顺 , 龚兴龙 , 张培强 . 《柱状和层状结构磁流变弹性体剪切模量的数值计算》 . 功能材料 , 2006, 37( 5) : 720

参考文献及相关专利发明• 10.龚兴龙 , 李剑锋 , 张先舟 , 等 . 《磁流变弹性体力学性能测量系

统的建立》 . 功能材料 , 2006, 37( 5) : 733• 11. 王桦 , 周刚毅 , 方生 , 等 .《磁流变弹性体剪切性能的动态实验

研究》 . 实验力学 , 2004, 19( 1) : 1• 实用新型专利：• 1 ．蒯康，陈、 lF尔；邓华夏，龚兴龙，《一种主、被动式碱振器》；授权号： zL 200420108856 2

• 2 邓华夏，龚兴龙．张培强，张先舟，朱心顺，《刚度 _手 u 阻尼均可控的减振器》：授权号： zL2005200703 19 ． 8

• 3 ．邓华夏．龚兴龙，张先舟，张培弛．《磁流，叟弹性体移频式吸振器》：授权号： zL200520076452 4 ． 77．

经费预算

序号 支出项目 预算金额（元）

测算依据

1 资料费 700 查阅MRE 相关图书 2 论文发表费 700 调查发表 MRE 的论文

的相关情况

3 办公耗材费 100 预计过程所必需的办公耗材

4 实验调研费 1000 调查有关 MRE 的实验内容

5 合计 2500

项目组成员分工

成员 分工

负责人 戴宗杰 负责所有项目总体规划与安排

申请人 刘庆斌 负责对材料性质的研究与数据的分析处理

申请人 刘昭 负责各项试验操作与制作的规划与实施