粘弹性阻尼器粘结界面破坏机理与实验研究

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粘弹性阻尼减震技术是近年来一种新兴的被动控制减震技术,根据工程实际需求已开发出多种阻尼器,如板式阻尼器、筒式阻尼器、壁式阻尼器、粘弹性阻尼墙等,粘弹性阻尼器因耗能能力强、工作稳定性好、制作简单、造价低廉、经济性好、适用范围广而受到了广泛关注。但由于粘弹性阻尼器的开发涉及到了固体力学,震动控制,高分子材料学,断裂力学等多个领域,使得阻尼器减震技术的研究及设备改良难度加大。目前使用比较广泛的板式粘弹性阻尼器主要在高温高压下进行硫化粘结或者使用环氧树脂在常温下进行界面胶粘,然而因胶粘剂粘结强度、硫化粘结强度均有限,生产过程中极易破坏粘结界面,使阻尼材料在受力尚未达到剪切破坏强度时就发生粘弹性耗能层与钢板之间的开裂,从而导致装置破坏失效、无法充分发挥粘弹性材料具有高耗散性能的特性,因此需要对阻尼器粘弹性层和钢板界面的粘结方式进行改进,提升阻尼器的界面粘结强度和动态力学性能。基于此,本文首先提出了粘弹性阻尼器界面粘结结构的改良方法,加工制作改进型的粘弹性阻尼器,并进行动态力学性能试验,研究不同界面粘结形式下阻尼器的动态性能差异。其次,采用ABAQUS有限元软件建立常规、刻槽和挡板三种不同界面粘结形式下粘弹性阻尼器的三维模型,并对不同粘结形式下粘弹性阻尼器的动态性能和耗能能力进行对比分析;最后,从材料微观分子构型出发,提出了一种基于微观分子链结构的粘弹性材料力学模型,并结合第二章阻尼器动态力学性能试验数据对所提模型进行参数拟合和结果对比验证。本文的主要研究内容如下:(1)粘弹性阻尼器粘结界面性能试验1)采用在接触面的钢板上刻槽的方法,增加金属与粘弹性材料的接触面积;2)受筒式阻尼器的启发,在阻尼器的两侧设置三角形钢挡板以限制粘弹性材料的位移。分别采用高温高压硫化和环氧胶粘结两种工艺,制作不同工艺和界面粘结形式下的阻尼器试件,并进行动态力学性能试验。研究环境温度、激励频率、位移幅值对其动态力学性能的影响,并比较不同加工工艺和界面形式下阻尼器动态性能的差异。结果表明:温度、频率和位移对阻尼器的动态力学性能有显著影响。对于刻槽界面,高温高压硫化阻尼器与环氧胶粘阻尼器在常温下耗能性能相差不大,但在高温和低温条件下环氧胶粘阻尼器耗能性能更好;对于两侧设置挡板的界面形式,高温高压硫化阻尼器动态力学性能和耗能能力均强于环氧胶粘阻尼器。高温高压硫化工艺下,挡板阻尼器的动态力学性能均强于刻槽阻尼器,对于环氧胶粘工艺,刻槽阻尼器可获得更大的等效刚度和储能模量,但挡板阻尼器可获得更大的损耗因子。(2)粘弹性阻尼器界面破坏有限元分析采用ABAQUS有限元软件建立常规、刻槽和挡板三种不同界面粘结形式下粘弹性阻尼器的三维模型,并对不同粘结形式下阻尼器的动态性能和耗能能力进行分析。对比验证了三种不同界面粘结形式对硫化制作粘弹性阻尼器动态力学性能和耗能性能的影响。研究了刻槽和挡板界面形式下粘弹性阻尼器滞回曲线、储能模量、耗能模量、损耗因子、单圈滞回耗能、等效刚度和等效阻尼等与常规粘弹性阻尼器的差异。最后对不同界面粘结形式粘弹性阻尼器的开裂破坏进行了数值分析,研究了不同界面构型对粘弹性阻尼器界面开裂破坏和阻尼器动态性能的影响。(3)粘弹性阻尼器等效分数阶三层网链模型从粘弹性材料微观分子网链结构出发,借助分数阶力学模型对粘弹性材料中不同类型的微观分子链结构进行描述,同时结合温频等效原理对温度的影响进行研究,提出了基于微观分子链结构的等效分数阶三层网链模型。结合第二章阻尼器动态力学性能试验数据对所提模型进行参数拟合和对比验证。结果表明,所提模型能较好地表征环境温度、加载频率和材料微观分子结构对粘弹性阻尼器动态力学性能的影响,建立起了粘弹性材料宏观性能与微观结构的联系。本文的创新性主要表现为:(1)提出两种新的界面粘结方式,研究了不同制作工艺和界面粘结方式对阻尼器动态力学性能和耗能能力的影响。对于两侧设置挡板的界面形式,高温高压硫化阻尼器动态力学性能和耗能能力均强于环氧胶粘阻尼器。高温高压硫化工艺下,挡板阻尼器的动态力学性能均强于刻槽阻尼器,对于环氧胶粘工艺,刻槽阻尼器可获得更大的等效刚度和储能模量。(2)提出了一种基于微观分子链结构的粘弹性阻尼器等效分数阶三层网链模型。该模型能较好地表征环境温度、加载频率和材料微观分子结构对粘弹性阻尼器动态力学性能的影响,建立起了粘弹性材料宏观性能与微观结构的联系。
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