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粘滞阻尼材料及其阻尼器的性能研究

作　者: 姜琳琳
导　师: 黄微波
学　校: 青岛理工大学
专　业: 材料学
关键词: 粘滞阻尼粘滞流体阻尼器粘度本构关系动态性能热稳定性滞回曲线
分类号: TB535.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

粘滞流体阻尼器被广泛应用于结构的振动控制，是一种重要的、性能优良的消能减振装置，能够有效地消减结构在地震和风荷载作用下的振动响应，确保结构的安全稳定。粘滞流体阻尼器的耗能主要靠阻尼介质的内摩擦力来实现，阻尼介质的性能对阻尼器的耗能能力有很大影响。目前国内对阻尼介质的研究还很欠缺，结合粘滞流体阻尼器对阻尼介质的选用要求，研制开发了一种新型的粘滞阻尼材料。本文首先提出了合成新材料的原理及方法，制备出一个系列的粘滞阻尼材料；再对材料的基本性能进行表征，分别研究了材料的粘度、粘温性、剪切性能以及动态性能；然后利用红外光谱对材料的热稳定性进行分析研究；最后通过测试粘滞流体阻尼器的动力学性能，研究并评价新材料的实际应用效果。主要研究结论如下：（1）制备不同硬段质量分数的粘滞阻尼试样D1～D5，硬段质量分数分别为26.2%、32.5%、36.6%、42.3%、50.2%。粘度是粘滞阻尼材料最重要的性能表征。通过粘度测试发现，硬段质量分数越高，试样的粘度越大；温度对粘度的影响表明，温度升高，粘度下降，当温度从10℃升至90℃，粘度下降率为92%、93%、93%、90%、90%；用粘温系数表示粘滞阻尼的粘温性发现：D1～D5的粘温系数为0.58、0.59、0.57、0.48、0.43，硬段质量分数越高，粘温系数越小，粘度随温度变化越小；通过剪切速率与剪切应力的关系确定粘滞阻尼材料的本构关系式k n，D5的硬段质量分数最大，k值最大，粘度最大；D1、D3、D5的n值均小于1，属于剪切稀化流体，但D5的n值最大，剪切稀化现象最不明显。（2）频率、温度和硬段质量分数对粘滞阻尼材料的动态性能有影响。频率增大，储能模量、损耗模量增大，复数粘度减少，损耗因子先增大后减少；温度升高，储能模量、损耗模量和复数粘度减少，损耗因子先减少后增大；硬段质量分数增加，储能模量、损耗模量和复数粘度增大，损耗因子减少。（3）粘滞阻尼材料属于高分子聚合物，其化学性能受温度的影响很大。D1～D5粘滞阻尼材料经热失重实验后，发生氧化和失重现象，硬段质量分数高的，失重率较小。通过红外光谱分析发现，硬段质量分数增多，氢键化基团增多；经过48小时的热老化实验后，氢键结构进一步增多，分子结构结合更紧密，粘度变大。（4）粘滞流体阻尼器的动力学性能能够真实地反应粘滞阻尼材料的耗能能力。以D1、D3、D5为阻尼介质制备双出杆型流体阻尼器，研究激振频率、位移幅值以及阻尼介质的粘度等因素对阻尼器动力性能的影响。阻尼器在振动时可得到椭圆形的阻尼力—位移滞回曲线，激振频率增大、位移幅值增加以及阻尼介质粘度增大，都会使阻尼器的耗能能力提高；此外粘滞流体阻尼器是一种速度相关型的阻尼器，阻尼力与速度之间存在F C的关系，通过回归分析表明，D5阻尼器的阻尼系数C最大，速度指数最小，说明D5阻尼器的耗能能力最强，非线性最强，更适合各种工程的应用。综合分析以上研究结论，新的粘滞阻尼材料在研究方法和性能上还存在不足，但对今后粘滞阻尼材料的改性及阻尼器的优化设计提供数据支持和研究方向。

全文目录

摘要  9-11
Abstract  11-14
第1章绪论  14-25
  1.1 研究目的和意义  14-15
  1.2 粘滞流体阻尼器的研究现状  15-18
    1.2.1 国外的研究现状  15-16
    1.2.2 国内的研究现状  16-18
  1.3 粘滞阻尼的类型  18-20
    1.3.1 牛顿流体  18-19
    1.3.2 非牛顿流体  19-20
  1.4 粘滞阻尼材料的研究现状  20-24
    1.4.1 阻尼机理  20-21
    1.4.2 粘度特性  21-22
    1.4.3 剪切特性  22
    1.4.4 压缩特性  22-23
    1.4.5 化学稳定性  23-24
  1.5 本文研究目的和研究内容  24-25
第2章实验方案  25-34
  2.1 粘滞阻尼材料的制备  25
    2.1.1 实验原料  25
    2.1.2 制备方法  25
  2.2 粘度实验  25-27
    2.2.1 仪器  25-26
    2.2.2 取样  26
    2.2.3 实验步骤  26-27
  2.3 材料动态性能实验  27-29
    2.3.1 实验仪器  27
    2.3.2 测试原理  27-28
    2.3.3 测试条件及操作过程  28-29
  2.4 热稳定性实验  29-31
    2.4.1 热失重实验  29
    2.4.2 热老化实验  29-31
  2.5 阻尼器动力性能实验  31-34
    2.5.1 选用的阻尼器规格  31-32
    2.5.2 实验装置  32-33
    2.5.3 实验方法  33-34
第3章粘滞阻尼材料的粘度和动态性能表征  34-47
  3.1 概述  34
  3.2 粘滞阻尼材料的硬段质量分数  34-35
  3.3 粘度结果讨论与分析  35-42
    3.3.1 硬段质量分数对粘度的影响  35-36
    3.3.2 粘度与温度的关系  36-39
    3.3.3 粘滞阻尼的本构关系  39-42
  3.4 动态性能结果讨论与分析  42-45
    3.4.1 频率和温度的影响  42-44
    3.4.2 硬段质量分数的影响  44-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章粘滞阻尼材料的热稳定性  47-54
  4.1 前言  47
  4.2 热失重结果分析  47-48
  4.3 热老化结果分析  48-52
    4.3.1 原始样红外谱图分析  48-50
    4.3.2 热老化前后红外谱图对比  50-52
  4.4 本章小结  52-54
第5章粘滞流体阻尼器的动力学性能  54-64
  5.1 概述  54
  5.2 孔隙式粘滞阻尼器阻尼力的理论计算公式  54-55
    5.2.1 孔缩效应产生的阻尼力  54
    5.2.2 粘滞摩擦产生的阻尼力  54-55
    5.2.3 孔隙式粘滞阻尼器的计算公式  55
  5.3 实验结果分析  55-63
    5.3.1 频率、位移幅值和粘度的影响  55-59
    5.3.2 阻尼力与速度的关系  59-63
  5.5 本章小结  63-64
第6章结论及有待于进一步研究的问题  64-67
  6.1 结论  64-65
  6.2 有待进一步研究的问题  65-67
参考文献  67-71
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  71-72
致谢  72

粘滞阻尼材料及其阻尼器的性能研究

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