磁流变弹性体隔振器的有限元分析及实验研究

摘要

在微电子制造与精密加工领域,越来越多的元器件需要在尺度为微米、亚微米级的数量级上进行精密或超精密加工。上述加工过程对环境振动极为敏感。为了保证产品的加工质量,必须尽可能降低传到加工平台上的微幅振动。含有磁流变材料的智能结构由于能在外加控制磁场的作用下快速可逆地改变阻尼和刚度,且具有响应速度快、工作能耗低、致动力变化范围大、控制方式简单等优点,在结构的主被动混合隔振装置中获得了广泛关注。磁流变弹性体(MR elastomers)作为磁流变材料的一个新的分支,由于它是由高分子聚合物(如橡胶等)和电导或铁磁性颗粒组成,解决了磁流变液易沉降、稳定性差和密封困难等问题,又兼有磁流变液和弹性体的优点,同时具有比磁流变液体材料更为稳定的可控性能。故在宽频微幅振动隔离中具有良好的潜在应用前景。
　　本文是在湖南省自然科学基金项目(07JJ6002)和国家自科基金(10802029)的资助下,以磁流变弹性体智能材料为研究背景,利用磁流变弹性体的可控阻尼特性,将磁流变弹性体推广应用到振动控制中,研制出新型的基于磁流变弹性体的隔振器。本文主要的研究内容为:
　　磁流变弹性体隔振器的结构设计。从磁流变弹性体隔振器的设计思想、工作原理及其工作模式的基础上建立磁流变弹性体的刚度阻尼模型;根据制备出高性能的磁流变弹性体,按设计要求计算出给磁流变弹性体施加磁场的线圈匝数;利用pro/e对磁流变弹性体隔振器的结构进行了设计,制造出新型的磁流变弹性体隔振器。
　　磁流变弹性体隔振器的有限元分析。包括对磁流变弹性体隔振器的静态磁场分析和动力学分析(模态分析和谐响应分析)。静态磁场分析是对施加在磁流变弹性体的磁场进行分析,验证了隔振器中线圈产生的磁场能够使磁流变弹性体产生比较明显的磁致效应,完全能够满足设计的要求。通过模态分析得到了隔振器的振型、固有频率、损耗因子。将固有频率、损耗因子与理论计算得到的解析值进行了比较,结果表明ANSYS计算的结果与解析值符合较好;谐响应分析发现:当外界激励频率与隔振器的固有频率相等时,会产生共振。因此在隔振时必须通过改变隔振器的固有频率来避开外界的激励频率。
　　磁流变弹性体隔振器的实验研究。研究了磁流变弹性体隔振器在激振器的激励作用下的振动响应特性,通过实验,验证了隔振器的磁流变弹性体在电流作用下,其刚度和阻尼会产生变化,因此可以通过调节隔振器线圈中电流的大小来改变磁流变弹性体的刚度和阻尼值,以达到最佳的隔振效果。同时对磁流变弹性体隔振器的耗能特性进行了测试实验,通过衰减法测试出隔振器的损耗因子,发现比一般的磁流变液夹层梁和纯硅橡胶的损耗因子要大,说明了隔振器具有良好的耗能特性。

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第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 磁流变材料的研究进展

1.3 磁流变弹性体减振的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 磁流变弹性体隔振器的设计

2.1 磁流变弹性体隔振器的设计思想

2.2 磁流变弹性体隔振器的工作原理

2.3 磁流变弹性体的制备

2.4 励磁线圈匝数及导磁体尺寸的确定

2.5 磁流变弹性体隔振器结构设计

2.6 磁流变弹性体隔振器的制作及装配

2.7 本章小结

第3章 磁流变弹性体隔振器的有限元分析

3.1 有限元方法简介

3.2 磁流变弹性体隔振器的磁场分析

3.3 磁流变弹性体隔振器的动力学分析

3.4 本章小结

第4章 磁流变弹性体隔振器的实验研究

4.1 实验系统简介

4.2 隔振性能测试实验

4.3 材料损耗因子测试实验

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文主要工作内容

5.2 展望

参考文献

致谢

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