電流變彈性體夾層結構梁的動力學仿真研究

發布時間：2020-04-01所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要;對電流變彈性體夾層懸臂梁在不同電場控制下的振動響應特性和可控性進行研究。將電流變彈性體等效為一種具有電控力學性能的粘彈性阻尼材料，基于Hamilton原理建立了三層電流變彈性體夾層梁的有限元動力學方程，仿真分析了其在不同外加電場控制下的振動特

　　摘要;對電流變彈性體夾層懸臂梁在不同電場控制下的振動響應特性和可控性進行研究。將電流變彈性體等效為一種具有電控力學性能的粘彈性阻尼材料，基于Hamilton原理建立了三層電流變彈性體夾層梁的有限元動力學方程，仿真分析了其在不同外加電場控制下的振動特性。分析結果顯示，隨著外加電場強度的增加，電流變彈性體夾層梁的固有頻率不斷增大，振動幅值卻不斷減小。表明電流變彈性體夾層梁具有與電流變液夾層粱相似的可控振動響應特性，能在外加電場作用下實現對結構振動的實時控制。

　　關鍵詞;電流變彈性體;夾層梁;振動響應;動力學特性

　　引言

　　電流變材料是一類具有流變特性可控的智能材料。含有電流變材料的智能結構系統，由于能在外加電場的作用下快速可逆地改變結構的阻尼或剛度，且具有響應速度快、工作能耗低、致動力變化范圍大和控制方式簡單等優點，在結構的振動主被動混合控制中獲得了廣泛關注[1]。到目前為止，已有眾多學者提出和開發了多種基于電流變材料的主被動自適應減振與隔振技術。但當前所采用的電流變材料一般是由固體顆粒分散于載液中制成的電流變懸浮液。電流變液由于在使用過程中存在著一些不足，如顆粒的沉降引起電流變效應的不平衡，使用儀器被腐蝕等，其綜合性能還不能完全滿足工業化要求E，限制了它在工程實際中的推廣應用。

　　電流變彈性體是電流變材料的一個新的分支，是電流變液的固體模擬。通常是通過物理化學手段，將流變顆粒分散在高分子化合物的凝膠網絡中固化而成。由于其顆粒被固定在高分子基體網絡中，不存在顆粒沉降問題[3]。同時，在外加電場作用下，彈性膠體內部的顆粒會因極化而導致相互產生靜電作用，使彈性膠體的粘彈性隨電場發生改變，顯示出電流變效應[4;而在沒加電場作用時，電流變彈性體可以等效為一般的粘彈性材料，具有被動減振的功能。電流變彈性體在克服了電流變液的易沉降、穩定性差等缺點的同時，保留了電流變材料力學可控的特性，近年來受到了人們越來越多的關注[3州]。但目前已有的研究報道主要是有關其材料的制備和優化，而對基于電流變彈性體材料的器件設計和研究還不多見。

　　相關期刊推薦：《振動工程學報》1987年創刊，(雙月刊)是由中國振動工程學會主辦，南京航空航天大學出版的全國性核心期刊,創刊于1987年。本刊主要反映我國振動工程的最新研究成果，評介最新科技成就，增強國內外學術信息交流，并鼓勵首創精神，倡導優良學風，扶植、推薦優秀人才和作品，為推動振動工程學科的發展，促進我國的社會主義經濟建設服務。

　　本文主要對含電流變彈性體材料的夾層結構梁的動力學特性和可控性進行仿真分析，探討電流變彈性體應用于梁類結構振動控制的可行性。將電流變彈性體等效為力學特性受外加電場可控的粘彈性材料，基于Hamilton原理建立了三層電流變彈性體夾層梁的有限元動力學方程，仿真分析了其在不同外加電場控制下的振動響應特性。

　　1電流變彈性體的粘彈特性

　　已有的研究表明[7]，對做小幅振動的電流變夾層結構梁，電流變材料可以采用線性粘彈性理論建模。目前已建立了許多模型來描述電流變或磁流變液體在預屈服階段的粘彈特性，如Kelvin—Voigt模型，三參數固體粘彈性模型等E。這些模型主要是研究處理電流變或磁流變液的可控阻尼特性。與電流變或磁流變液體材料相比，電流變或磁流變彈性體的模量和阻尼特性都可受外加電場控制。為了描述電流變或磁流變彈性體的這類特性，Li等在傳統三參數固體模型的基礎上[1，發展了一個四參數粘彈性模型，如圖1所示。在該模型中，愚，愚和c形成一個標準的粘彈性固體模型來處理材料的阻尼特性，而k代表的是受電場控制的模量�；�于該模型，材料的剪切應力r可用復模量G。和剪切應變來描述

　　對于該四參數粘彈性模型，雖然目前還沒有具體的實驗數據來描述四個參數值點，k。，與電場強度E的函數關系，但是大多數學者普遍認為當應變振幅和激勵頻率的值比較小時[11引，電流變材料的剪切儲存模量的二階導數與外加電場E有關。在本文中，選用與Hao等研究相同的淀粉/硅油/硅橡膠組分電流變彈性體[4]。基于Hao等測量得到的實驗數據[15]，利用Li等提出的優化方法[10]，得到不同電場作用下四參數粘彈性模型中各參數值如表1所示。

　　2電流變彈性體夾層梁的有限元建模

　　考慮如圖2所示的電流變彈性體夾層懸臂梁，其由一層電流變彈性體層和兩層彈性表面層組成。當在兩層彈性層上施加不同的電壓時，就會在電流變彈性體層上產生不同的電場，使得電流變彈性體層的力學特性發生變化。

　　由于電流變材料在小應變情況下，具有與粘彈性阻尼材料相似的特性，故可以利用粘彈性阻尼結構的建模方法來對電流變彈性體夾層梁建模]。本文利用有限元方法和Hamilton原理來建立電流變彈性體夾層梁的動力學方程。

　　2.1夾層梁的變形位移描述

　　假設電流變彈性體層和上、下彈性層之間沒有相對滑移，橫向位移不隨梁的厚度變化，根據圖3的幾何變形關系所示，電流變彈性體的剪切應變y和軸向變形z可以寫成

　　3仿真結果與討論

　　設電流變彈性體夾層梁的幾何尺寸和材料參數如表2所示，取電流變彈性體材料的4個參數與表1中的參數相同。利用龍格一庫塔法對式(17)進行時域計算，可以得到電流變彈性體夾層梁在不同控制參數下的時間響應，即可得到電流變彈性體夾層梁在不同外加電場控制下的振動特性。

　　圖5是電流變彈性體夾層梁在不同外加電場作用下的掃頻輸入橫向振動響應譜。圖中每段曲線的峰值代表的是不同電場強度作用下所對應的夾層梁固有頻率。從圖中可以看出，梁的固有頻率隨著電場強度的增大而增大，且對應的振動響應幅值呈下降趨勢。圖6是電場強度對梁的前三階固有頻率的影響規律，由圖也可看到，每階的固有頻率都隨著電場強度的增加而增大。表明電流變彈性體夾層結構梁具有與電流變液夾層梁相似的動力學特性，其阻尼和剛度能受外加電場的控制。

　　圖7是電流變彈性體夾層梁在外加電場E=0和E=1kV/ram時的瞬態時域響應圖。由圖可見，在電場作用下，梁的瞬態響應衰減速度有明顯縮短。如沒加電場時，梁的瞬態響應幅值衰減到零差不多要6S，而加上E=1kV/mm的電場作用時，其瞬態響應幅值衰減到零只需要大約3S，衰減時間縮短了大約一半。表明電流變彈性體能在外加電場作用下實現對結構振動幅值的控制。

　　4結論

　　本文對電流變彈性體夾層懸臂梁在不同外加電場作用下的振動響應特性進行了仿真研究。研究結果顯示，電流變彈性體夾層梁的固有頻率隨外加電場強度的增加而增大，而振動響應幅值卻隨著電場強度的增加而降低，表明電流變彈性體能在外加電場作用下改變系統的阻尼和剛度，實現對結構振動的實時控制。