磁流變液及其智能阻尼器的研究與應(yīng)用.pdf

1、磁流變液是一種智能可控流體，將其置于不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下可以改變其流變學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等方面的特性，其卓越的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換特性為開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、高魯棒性和可無(wú)級(jí)調(diào)控的智能化器件提供了一條嶄新思路。目前，基于磁流變技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)滲透到了很多領(lǐng)域，包括：汽車(chē)減震系統(tǒng)、剎車(chē)、離合器，火車(chē)機(jī)車(chē)減震系統(tǒng)、履帶車(chē)輛減震系統(tǒng)、火炮后座減震系統(tǒng)、橋梁斜拉索抗風(fēng)振系統(tǒng)、海洋平臺(tái)抗冰振系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)抗地震系統(tǒng)等等。
　　雖然磁流變技術(shù)的

2、應(yīng)用潛力十分巨大，新的研究應(yīng)用項(xiàng)目也層出不窮，但是在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中，磁流變技術(shù)都存在著很多不足之處。理論方面：磁流變液的機(jī)理和剪切屈服強(qiáng)度特性并沒(méi)有完全被揭示，磁流變液的流變模型、磁流變器件的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)模型等也有待進(jìn)一步研究；實(shí)際應(yīng)用方面：標(biāo)準(zhǔn)的磁流變液流變性能測(cè)試設(shè)備仍未出現(xiàn)，現(xiàn)有的磁流變液存在著懸浮穩(wěn)定性差、疲勞壽命低等缺點(diǎn)，而磁流變液器件存在著示功圖不飽滿(mǎn)、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、工作溫度范圍窄、密封性能差等缺點(diǎn)。本文全面地研究了磁流變

3、液及其阻尼器的理論與應(yīng)用，以期對(duì)磁流變技術(shù)的研究與應(yīng)用的發(fā)展起到推動(dòng)作用。
　　磁流變效應(yīng)是來(lái)源于磁性顆粒在磁場(chǎng)下排列成鏈柱狀的微觀結(jié)構(gòu)，但并沒(méi)有令人信服的解釋這種現(xiàn)象的理論出現(xiàn)，本文在相變理論的啟發(fā)下，基于n-顆粒鏈模型推導(dǎo)了外部磁場(chǎng)強(qiáng)度與n-顆粒鏈分布函數(shù)的關(guān)系式，從而對(duì)磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理進(jìn)了定性的解釋。建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論基礎(chǔ)上的Oldroyd模型和Jeffreys模型等曾成功地描述了許多高分子材料的流變特性，本文根

4、據(jù)其思路推導(dǎo)了賓漢姆模型的共旋隨流微商推廣模型，并在與三種常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾容^中驗(yàn)證了該模型對(duì)磁流變液的流變特性的描述能力。另外，磁流變液的沉降現(xiàn)象是長(zhǎng)期困擾人們的一個(gè)問(wèn)題，本文分析了磁流變液中單個(gè)顆粒沉降的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，得出磁流變液的沉降是不可避免的結(jié)論，同時(shí)還利用兩相流動(dòng)力學(xué)的一維波理論推導(dǎo)了磁流變液的沉降時(shí)間理論表達(dá)式，并理論分析了聚合物和觸變劑能有效減小顆粒沉降的原理。
　　目前的磁流變液生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)大大地阻礙了它的推廣，尤

5、其是國(guó)內(nèi)還沒(méi)有商品磁流變液推出的現(xiàn)狀更令人堪憂，為了推動(dòng)磁流變液的商品化進(jìn)程，本文在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上力圖全面地總結(jié)出描述磁流變液性能量化指標(biāo)及其測(cè)量方法（包括了五個(gè)方面的指標(biāo)：磁流變效應(yīng)、流變性能、穩(wěn)定性能、機(jī)械磨損性能及疲勞壽命）。本文還以MRF27/50型磁流變液的制備過(guò)程為例，探討了磁流變液的原材料選擇、顆粒表面改性到分散穩(wěn)定工藝等幾個(gè)方面內(nèi)容，并得出了MRF27/50磁流變液的性能測(cè)試報(bào)告。
　　為了獲得對(duì)磁流變液的磁場(chǎng)

6、下的流變特性的測(cè)試手段，本文在分析磁流變液的流變測(cè)試原理的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)了一臺(tái) MRTB型磁流變液流變儀，并通過(guò)與ANTON PAAR公司的MCR301型流變儀的測(cè)試結(jié)構(gòu)相比來(lái)檢驗(yàn)其可用性；為了獲得對(duì)磁流變液的沉降性能定量測(cè)量的方法，本文基于磁場(chǎng)疊加原理，研制了一臺(tái) NSLTI型沉降測(cè)試儀，并對(duì)磁流變液樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。
　　如何準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出適合半主動(dòng)振動(dòng)控制的磁流變液阻尼器，是實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的第一個(gè)問(wèn)題，為了建立針對(duì)

7、雙出桿間隙式磁流變液阻尼器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，本文推導(dǎo)了基于 Herschel-Bulkley模型的偽靜力模型，建立了阻尼器的力學(xué)參數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何尺寸之間的理論關(guān)系式，并結(jié)合磁路設(shè)計(jì)原理提出了該類(lèi)型阻尼器的幾何尺寸設(shè)計(jì)方法。隨后又探討了磁流變液阻尼器的控制電路和線圈形式對(duì)其響應(yīng)特性的影響，提出使用開(kāi)關(guān)電源、PID控制器及并聯(lián)反向線圈可以對(duì)磁流變液阻尼器的響應(yīng)特性進(jìn)行改善。
　　同樣，為了推動(dòng)磁流變液阻尼器的產(chǎn)品化進(jìn)程，本文推導(dǎo)了磁

8、流變液阻尼器的動(dòng)態(tài)力學(xué)模型，在該模型的基礎(chǔ)上探索了阻尼器的力學(xué)性能、密封性能和疲勞性能的測(cè)試方法；設(shè)計(jì)制造了MRD系列磁流變液阻尼器，并進(jìn)行了性能測(cè)試。為了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大噸位磁流變液阻尼器的空白，本文還研制了兩個(gè)阻尼力大于10噸的阻尼器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)討論了并聯(lián)反向線圈形式可以提高最大阻尼力的原因。
　　最后，本文提出了斜拉索半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)用磁流變液阻尼器的設(shè)計(jì)理論和方法，并完成了山東濱州黃河公路大橋和寧波招寶山大橋的斜拉索半主動(dòng)振動(dòng)