径向流动型磁流变缓冲装置增效研究

摘要

碰撞冲击是一种常见的现象，因其具有偶发、不可预见及冲击能量大的特点而经常造成严重的人员伤亡以及重大的财产损失。传统的冲击隔离器一般通过金属变形或者摩擦力、或是液压油消耗冲击能量的方式进行能量耗散，这些类型的缓冲装置只是针对特定的冲击工况具有较好的缓冲效果，当冲击工况偏离了设定工况时，其缓冲能力将会大幅降低。为此，国内外的专家学者都在致力于研究一种能应对不同工况进行自适应调节的缓冲装置，而磁流变液凭借其独有的对外加磁场做出瞬间连续无级可逆变化的特性和优点，是一种非常理想的替代传统被动缓冲材料的新型智能缓冲材料。 以国家自然科学基金项目和重庆市基础与前沿研究计划项目为背景，以磁流变胶泥为磁控介质，论文针对柱形波纹压溃与径向流动节流共同作用的磁流变缓冲装置（magnetorheological energy absorber,MREA）的特性进行增效研究。研究了柱形波纹压溃件在冲击载荷下的动态力学特性及防失稳特性。提出了中心泄流小孔与径向渐变间隙的流道结构，以此来降低MR阀流道内磁流变胶泥流速过高导致MREA可控性变差问题。研究了径向渐变间隙流道与等间距间隙流道串联的MREA磁路设计方法，并分析了磁流变胶泥在工作了流道中的流动特性，在此基础上得出缓冲力的计算方法。设计并制作了中心泄流小孔与径向渐变间隙流动通道结构的MREA，开展了落锤冲击试验，并与理论预测进行了比较。其具体研究内容如下： ①磁流变胶泥制备及其流变特性。利用浓度移动速度理论、颗粒质量流量理论及场致偶极子理论从悬浮稳定性、磁控范围及颗粒体积分数与载体液黏度三个方面分析并制备了2种磁流变胶泥样品。通过商用流变仪（MCR-301）对样品进行了流变特性测试，研究了磁场对磁流变胶泥流变学特性的影响。对比分析了常用本构模型用于描述磁流变胶泥流变特性的优劣，选择Power-Law模型作为描述磁流变胶泥的流变学特性，并利用样品测试数据进行了模型的参数辨识。进一步利用HH-15型振动样品磁场计测试了磁流变胶泥的磁化特性。 ②MREA总体设计。理想的MREA动态缓冲力-位移曲线具有近似“平台效应”特性，而传统MREA动态缓冲力-位移曲线存在尖峰；另外，工作流道中的磁控介质流速过高也降低了MREA可控性。由此提出面向一次性碰撞缓冲工况的MREA增效特性需求，即提高实现缓冲力平台效应的同时需要提高MREA的可控性。介绍了磁控介质在阻尼通道的三种不同工作模式，并依据力学特性需求选择流动模式作为磁流变胶泥在MREA中的工作模式，进而提出采用柱形波纹压溃元件串接磁流变节流单元的MREA总体设计方案并阐述了其工作原理。分析了柱形波纹压溃件在冲击载荷下的动力学特性；针对磁控介质在流道流速过高而引起可控性恶化，提出增加中心泄流小孔与径向渐变间隙流道结构形式的磁流变节流单元；依据外部参数如压溃量、最大冲击载荷等的设计需求，确定了MREA结构尺寸参量，并集成设计了其励磁线圈、密封及磁控介质填充结构。 ③MREA磁路模型建立及参数确定。利用动态磁路理论结合有限元方法建立了渐变间隙流道结构MREA的磁路分析模型。依据面向对象总体方案，分别确定了MREA的电磁磁路构造与参数，进而建立了工作流道内磁感应强度与激励电流之间的函数关系。利用商用仿真软件ANSYS分析了激励电流、径向间隙坡度、径向间隙高度等参数对工作间隙磁场强度的影响，并通过对填充磁流变胶泥的MR阀工作间隙的磁感应强度进行检测，与理论结构进行对比分析。 ④磁流变胶泥在流道中的流动特性分析与动态缓冲力计算。基于Power-Law分析了MREA总缓冲力与总体压降压降及流量的关系。鉴于增加中心泄流小孔与径向流道后的MREA流道的复杂性，从磁性流道和非磁性流道的角度，分别分析了磁流变胶泥在波纹压溃元件、MR阀出入口、环形流道及中心泄流小孔中的流动特性，以及磁流变胶泥在径向渐变间隙流道与径向等间距流道中的流动特性，并利用流体力学相关理论建立了磁流变胶泥在渐变间隙流道与径向等间距间隙流道内流动的连续性方程及控制微分方程。推导了磁流变胶泥的径向速度分布表达式。通过引入径向流速比、小损耗比、动态范围比、平台效应角比五个参数来分析中心泄流小孔对MREA特性的影响；以径向流道坡度为变量，建立了具有普遍特性的磁流变胶泥径向流动流变学模型，进一步分析了坡度值对MREA特性的影响。详细分析了局部损耗耗因素在MREA流道内分布，利用平均流体速度建立了MR阀内局部损耗产生的压降。 ⑤MREA制作与落锤冲击试验。依据理论分析，设计并制作了三类流道结构的MREA样机各一套，搭建了模拟一次性碰撞缓冲工况的落锤冲击试验测试平台，采用压电式力传感器及激光位移传感器构建了数据采集系统，对每一种MREA样机进行12种不同工况测试。试验结果与理论进行了对比分析，结果表明MREA流变学建模与试验结果基本吻合，验证了MREA流变学建模的合理性，并分析了误差的主要来源。

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