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，其卓越的能量儲存與轉(zhuǎn)換特性為開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高魯棒性和可無級調(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：汽車減震系統(tǒng)、剎車、離合器，火車機(jī)車減震系統(tǒng)、履帶車輛減震系統(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)度特性并沒有完全被揭示，磁流變液的流變模型、磁流變器件的動靜態(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、響應(yīng)時(shí)間長、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，以期對磁流變技術(shù)的研究與應(yīng)用的發(fā)展起到推動作用。
　　磁流變效應(yīng)是來源于磁性顆粒在磁場下排列成鏈柱狀的微觀結(jié)構(gòu)，但并沒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)了外部磁場強(qiáng)度與n-顆粒鏈分布函數(shù)的關(guān)系式，從而對磁流變效應(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)象是長期困擾人們的一個(gè)問題，本文分析了磁流變液中單個(gè)顆粒沉降的動力學(xué)過程，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、其是國內(nèi)還沒有商品磁流變液推出的現(xiàn)狀更令人堪憂，為了推動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磁流變液的性能測試報(bào)告。
　　為了獲得對磁流變液的磁場

6、下的流變特性的測試手段，本文在分析磁流變液的流變測試原理的基礎(chǔ)上研制開發(fā)了一臺 MRTB型磁流變液流變儀，并通過與ANTON PAAR公司的MCR301型流變儀的測試結(jié)構(gòu)相比來檢驗(yàn)其可用性；為了獲得對磁流變液的沉降性能定量測量的方法，本文基于磁場疊加原理，研制了一臺 NSLTI型沉降測試儀，并對磁流變液樣品的測試結(jié)果進(jìn)行了分析。
　　如何準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出適合半主動振動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)問題，為了建立針對

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其響應(yīng)特性的影響，提出使用開關(guān)電源、PID控制器及并聯(lián)反向線圈可以對磁流變液阻尼器的響應(yīng)特性進(jìn)行改善。
　　同樣，為了推動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)行了性能測試。為了填補(bǔ)國內(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振動控制系統(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振動