基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼器关键机理及性能研究

摘要

机械振动无处不在，研究如何减小机械振动是一个重要的课题。常用的阻尼器一般通过自身储存和消耗振动能量的方式进行减振，缺乏自我调节能力。为此，迫切需要一种具有良好可控性和非线性特征的智能阻尼器。
　　磁流变液阻尼器是一种可以通过调节外加电流的大小控制阻尼力的智能器件。目前关于磁流变液阻尼器减振的研究主要集中在控制阻尼力较大的振动，而对一些需要较小阻尼力的振动研究较少。而且，传统磁流变液阻尼器的工作缸内部需要充满磁流变液，为防止泄漏需要专门设计相应的密封装置；同时，磁流变液中硬质磁性颗粒的存在不可避免的会与密封装置产生摩擦，从而对阻尼器造成磨损，影响了其使用寿命。
　　以国家自然科学基金项目和上海市联盟计划项目为背景，论文针对将孔泡沫金属应用于磁流变液阻尼器的关键机理展开研究，开发了一款基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼器，并设计了其性能测试系统，对所开发的阻尼器的性能进行了测试。研究的主要内容如下：
　　①研究了磁流变液在多孔泡沫金属中的流动
　　从计算流体动力学基本控制方程出发，基于磁流体动力学和麦克斯韦方程，建立了磁流变液在泡沫金属中流动的控制方程；应用有限体积法，模拟仿真了磁流变液在多孔泡沫金属中的流动，得到了压强和速度分布。
　　②分别从理论和实验两个方面研究了磁流变液的法向应力
　　将磁流变液简化为椭圆球状，建立了磁场能量法的磁流变液法向力模型。为研究磁流变液的静态法向力和稳态剪切法向力，利用平行板型流变仪，首先研究了测试时间、磁场强度和温度对静态法向力的影响，而对于剪切模式下的稳态法向力，还研究了其与剪切速率的关系。同时，还研究了间距与磁场强度的关系，分别将平均稳态法向力和剪切应力、静态法向力和稳态法向力进行了比较，并从磁性颗粒微观结构演变的角度，阐释了磁场作用下磁流变液法向力的产生机理。
　　③研究了储存在泡沫金属中磁流变液的法向力
　　在研究磁流变液法向力基础上，利用平板型流变仪实验研究了测试时间、磁场强度、温度、剪切应变及振荡频率对储存在多孔泡沫金属中磁流变液静态法向力和振荡剪切法向力的影响。
　　④研制了一套多孔泡沫金属磁流变液阻尼器样机
　　研制了一种基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼器，不仅结构简单，成本低，而且可以防止泄漏，适用于小阻尼力的减振。详细阐述了阻尼器的结构和工作原理，并对磁阻进行了计算；然后，利用有限元仿真得到阻尼器内部的磁场分布，详细分析并讨论了电流、泡沫金属及泡沫金属材料对磁场强度的影响；最后，通过计算不同泡沫金属材料对剪切间隙内部磁阻的影响，分析了孔泡沫金属磁流变液阻尼器的磁特性。
　　⑤研究了多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的力学性能及动态响应时间
　　针对多孔泡沫金属磁流变液阻尼器，自行设计并搭建了一套性能测试系统。实验研究了外部电流、剪切速度、多孔泡沫金属材料与阻尼力及响应时间的关系，同时，还研究了剩磁对力学性能的影响；基于牛顿第二定律建立了动态响应时间计算模型，通过一个动态响应时间的算例，分析了影响动态响应时间误差的原因。
　　⑥研究了多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的阻尼力特性，建立了神经网络模型
　　针对模拟仿真和实验结果，根据牛顿第二定律及伯努利方程，推导了磁流变液在泡沫金属中流动的能量损失方程，得到了局部水头损失和沿程损失，发现局部能量损失是机械能损失的主要原因。利用将多孔泡沫金属里的磁流变液等效为环形体积的方法，得到了产生磁流变液效应的有效磁流变液体积，推导了多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的阻尼力计算模型。最后，根据阻尼力特性，结合实验数据，利用BP神经网络，建立了阻尼器的神经网络模型。结果表明，利用神经网络模型预测得到的阻尼力与实验结果吻合较好。

目录

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1 绪论

1.1 课题的提出及意义

1.2 磁流变液的性能研究

1.3 磁流变液阻尼器的研究进展

1.4 多孔材料在磁流变液阻尼器中的应用研究进展

1.5 本课题主要目标及研究内容

1.6 本章小结

2 磁流变液在泡沫金属中流动的数值模拟研究

2.1 引言

2.2 FLUENT简介

2.3 磁流变液在泡沫金属中流动的运动方程

2.4 磁流变液在泡沫金属中的流动数值模拟

2.5 模拟仿真结果

2.6 结果分析与讨论

2.7 本章小结

3 剪切模式下磁流变液法向力研究

3.1 引言

3.2 法向力的产生机理

3.3 实验条件

3.4 剪切模式下磁流变液法向力

3.5 多孔泡沫金属中磁流变液的法向力

3.6 本章小结

4 多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的结构设计及测试系统

4.1 引言

4.2 多孔泡沫金属磁流变液阻尼器设计

4.3 磁阻计算

4.4 多孔泡沫金属磁流变液阻尼器磁场仿真

4.5 性能测试系统

4.6 试验台安装与调试

4.7 本章小结

5 多孔泡沫金属磁流变液阻尼器性能研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验材料

5.4 力学性能实验及理论分析

5.5 动态响应时间实验及理论分析

5.6 响应时间计算算例及误差影响因素分析

5.7 本章小结

6 泡沫金属磁流变液阻尼器的阻尼特性及神经网络建模研究

6.1 引言

6.2 磁流变液在泡沫金属中流动的能量损失

6.3 多孔泡沫金属磁流变液阻尼器阻尼力计算模型

6.4 多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的神经网络建模

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 本文的主要创新点

7.3 论文的不足之处及研究展望

致谢

参考文献

附录