STF材料的耗能减振性能的数值分析

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剪切增稠液(Shear Thickening Fluid,STF)是一种新型智能材料,其特征是粘度随着剪切速率的变化而发生非线性变化,部分阶段呈现“幂律”式的增长趋势。对其施加剪切作用,且达到临界剪切速率后,STF的状态由流体状态转化为类固体状态,在此转化过程中吸收大量的能量,因此STF被广泛用于减振抗震,人体防护等领域。目前对STF的研究集中于材料的属性研究,缺少对其在工程减振耗能领域的实用研究,本文主要通过对STF材料的配制以及性能测试,研究STF材料的基本特性,并基于两种不同本构的耗能模型,并对这两种模型应用于土木工程领域的耗能STF组合构件和机械振动中减振降噪,通过有限元分析,论证了基于不同粘弹性本构模型的STF材料的耗能减振特性。基于上述思想,本文的主要工作如下:1.本文选用纳米SiO2作为分散相粒子,聚乙二醇(PEG)作为分散介质,通过超声波分散和机械搅拌相结合的方法制备了 STF材料。同时对所配制的STF材料进行稳态性能分析和动态性能分析。分析结果表明:(1)在稳态性能测试中,本文所配制的STF材料具有良好的剪切增稠性、触变性,稳态性表现较好,符合剪切增稠液的基本特性;(2)质量分数30%,粒子直径20nm的STF动态性能通过频率扫描和应变扫描,得出各个状态之下的储能模量与耗能模量,表明剪切增稠液具有优良的减振耗能效果。2.根据STF材料低频和高频耗能减振的要求,结合基于粘弹性本构关系的挤压耗能模型和振动耗能模型及所配制的STF材料的性能,分别建立了基于上述两种模型的简化数值分析模型。(1)基于挤压或大幅度剪切变形作用的挤压耗能模型,论文以弹簧模型为原型,通过刚度与阻尼的参数设定,建立了 STF单元体。设定初始粘度和最大粘度来确定刚度,通过设定储能模量与耗能模量的关系比来确定阻尼,即损耗因子,模拟STF体系的非线性受力变化,以此建立了更加合理的STF单元体。(2)振动耗能模型以频域粘弹性体为模型进行参数设置。由于STF材料中缺少应力-应变关系,故采用动态粘弹性的频域响应进行分析。以STF材料的储能模量和耗能模量为基本参数,通过有限元中无量纲的方式进行设置,从而将STF与频域粘弹性材料相连接,实现简化STF材料单元的目的。3.基于挤压耗能模型,建立了 STF组合钢梁,通过数值模拟,分析了组合钢梁在低周往复荷载作用下低耗能能力。分析结果表明:(1)采用多个Hertz模型并联的Jeffreys模型更加符合挤压耗能模型的空间连续性。(2)对STF组合梁模型进行有限元模拟分析,通过能量法论证STF材料以及组合梁的阻尼特性,并定义STF组合体系的有效阻尼参数S,以解决工程计算需求。(3)材料的不同厚度,不同可变阻尼影响STF组合梁的有效阻尼参数。4.基于振动耗能模型,通过简化储能模量和耗能模量与ABAQUS中频域粘弹性参数的设置,将STF用于通讯机柜组合减振降噪。通过有限元谐响应分析,将多种工况下机柜减振降噪情况进行的对比分析,结果表明:(1)STF用于高频振动时对通讯机柜的减振降噪有良好的效果,满足试验要求;(2)将STF材料布设于竖向侧板的减振降噪效果优于在横隔板布设,为后续工程的进行提供了试验设计以及有力的理论依据;(3)增加STF材料的厚度在一定范围内可以增强结构减振降噪效果,同时机柜产生的热能被STF体系吸收后增强其吸能耗能特性。
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