电流变弹性体夹层结构梁的动力学仿真研究

　　引　言

　　电流变材料是一类具有流变特性可控的智能材料。含有电流变材料的智能结构系统,由于能在外加电场的作用下快速可逆地改变结构的阻尼或刚度,且具有响应速度快、工作能耗低、致动力变化范围大和控制方式简单等优点,在结构的振动主被动混合控制中获得了广泛关注[1]。到目前为止,已有众多学者提出和开发了多种基于电流变材料的主被动自适应减振与隔振技术。但当前所采用的电流变材料一般是由固体颗粒分散于载液中制成的电流变悬浮液。电流变液由于在使用过程中存在着一些不足,如颗粒的沉降引起电流变效应的不平衡,使用仪器被腐蚀等,其综合性能还不能完全满足工业化要求[2],限制了它在工程实际中的推广应用。

　　电流变弹性体是电流变材料的一个新的分支,是电流变液的固体模拟。通常是通过物理化学手段,将流变颗粒分散在高分子化合物的凝胶网络中固化而成。由于其颗粒被固定在高分子基体网络中,不存在颗粒沉降问题[3]。同时,在外加电场作用下,弹性胶体内部的颗粒会因极化而导致相互产生静电作用,使弹性胶体的粘弹性随电场发生改变,显示出电流变效应[4];而在没加电场作用时,电流变弹性体可以等效为一般的粘弹性材料,具有被动减振的功能。电流变弹性体在克服了电流变液的易沉降、稳定性差等缺点的同时,保留了电流变材料力学可控的特性,近年来受到了人们越来越多的关注[3～6]。但目前已有的研究报道主要是有关其材料的制备和优化,而对基于电流变弹性体材料的器件设计和研究还不多见。

　　本文主要对含电流变弹性体材料的夹层结构梁的动力学特性和可控性进行仿真分析,探讨电流变弹体应用于梁类结构振动控制的可行性。将电流变弹性体等效为力学特性受外加电场可控的粘弹性材料,基于Hamilton原理建立了三层电流变弹性体夹层梁的有限元动力学方程,仿真分析了其在不同外加电场控制下的振动响应特性。

　　1　电流变弹性体的粘弹特性

　　已有的研究表明[7,8],对做小幅振动的电流变夹层结构梁,电流变材料可以采用线性粘弹性理论建模。目前已建立了许多模型来描述电流变或磁流变液体在预屈服阶段的粘弹特性,如Kelvin-Voigt模型,三参数固体粘弹性模型等[9]。这些模型主要是研究处理电流变或磁流变液的可控阻尼特性。与电流变或磁流变液体材料相比,电流变或磁流变弹性体的模量和阻尼特性都可受外加电场控制。为了描述电流变或磁流变弹性体的这类特性,Li等在传统三参数固体模型的基础上[10],发展了一个四参数粘弹性模型,如图1所示。在该模型中,k1,k2和c2形成一个标准的粘弹性固体模型来处理材料的阻尼特性,而kb代表的是受电场控制的模量。基于该模型,材料的剪切应力S可用复模量G*和剪切应变C来描述