磁流变液技术在微流体惯性开关中应用的基础研究

摘要

基于“弹簧—质量块”系统的传统惯性开关已被应用于诸多领域中，如:汽车安全气囊系统、引信安全系统以及航天航空等。此类惯性开关电极接通方式为“固—固”接触型，其存在接触电阻大、易磨损以及接触不稳定等缺陷，将直接影响惯性开关的使用性能。针对“固—固”接触型的缺点，将流体应用于惯性开关的研究中就应运而生了。磁流变液是一种用途广泛、性能优良的智能材料。这种悬浮液在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性;而在磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham流体特性。基于此特性，磁流变液被广泛的应用于阻尼器、减振器以及驱动器等。本文以磁流变液为工作流体，利用其阻尼力可控的特性来设计新型的微惯性开关;根据所设计结构建立新的磁流变液剪切理论模型，并通过模拟实验来验证模型的适用性，最终完善磁流变微惯性开关的研制。本文主要的研究工作包括:
　　（一）根据环境力以及阈值需要，对磁流变液微流体惯性开关进行结构设计。以磁流变液阻尼力为基础，加入微液体通道元素进行结构设计;在理论方面，将磁流变液的工作剪切模式精简到一个剪切模式，并且通过控制外加磁场磁感应强度的分布将磁流变液的工作区域局限在一个特定的易建模的区域，此方法可为之后的开关模型计算提供方便。注意:磁流变液阻尼器以及其他已经出现的利用流体粘性的微惯性开关用的流体剪切模式至少2种，计算区域也多是整个流道。
　　（二）利用流场叠加方法推导出磁流变液平板剪切模式下新的阻尼力计算公式。从流体力学斯托克斯第二问题的基本公式出发，结合分析数学工具和数值计算软件，采用流场叠加的方法，分步先后推导平板剪切模式下多种边界条件下移动板的阻尼力计算公式，边界条件分别为:移动板以余弦规律运动且板间流体为牛顿流体和移动板在开关工况的环境力作用下且板间流体为牛顿流体，最终推导出磁流变液平板剪切模式下新的移动板所受阻尼力的计算公式。
　　（三）自搭建冲击实验平台，验证基于平板剪切模式下新阻尼力计算公式的开关模型的适应性。基于新磁流变液微惯性开关结构和开关理论模型，通过放大器件尺寸来减小加工误差，研制出模拟实验器件，结合重锤系统，自搭建冲击实验平台。利用实验数据来对比分析新建模型与传统模型的优劣以及各误差源及其占比。实验数据表明:本文新建模型误差比传统模型误差要小。
　　（四）利用ANSOFT软件模拟优化模型，仿真模拟开关模型验证实验的实验器件内磁流变液加磁方式的适用性，并确定适合开关模型验证实验的磁路设计方案。根据最终的磁路设计方案，利用分析数学的方法来研究用一个磁感应强度值来代替整个磁流变液工作区域内的磁感应强度的方法，并绘制实验器件内磁流变液外加电磁场的I—B曲线。
　　（五）以在引信安全系统与汽车安全气囊系统中的应用为例，利用机械装置与电路控制相结合的方法，对磁流变液微流体惯性开关展开设计，提高开关区分环境的能力。研究分析表明，展开设计之后，开关能区分多次跌落的环境与发射的环境，且能区分多次紧急刹车撞车的环境。并根据开关动子速度与阻尼力的理论关系式，从纯理论的角度研究磁流变液微流体惯性开关参数化设计的方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 传统微惯性开关

1．2．1 传统微惯性开关原理

1．2．2 传统惯性开关的研究现状

1．3 微流体惯性开关

1．4 磁流变液

1．4．1 磁流变液流变性机理简介

1．4．2 磁流变液组成

1．4．3 磁流变液应用

1．5 本文主要研究内容

2 磁流变液微流体惯性开关结构及其理论模型的优化

2．1 前言

2．2 开关工况分析

2．3 开关结构及其原理

2．4 传统磁流变液平板模型简介

2．5 优化模型的建立

2．6 本章小结

3 磁流变液微流体惯性开关优化理论模型验证实验

3．1 前言

3．2 开关模型验证实验外加磁场设计及其仿真模拟

3．3 磁流变液微流体开关优化理论模型验证实验

3．4 本章小结

4 磁流变液微流体惯性开关应用研究

4．1 前言

4．2 开关在引信中的应用研究

4．2．1 针对引信安保机构区分环境功能的应用设计

4．2．2 磁流变液微流体惯性开关参数化设计方法研究

4．2．3 磁流变液微流体开关接触稳定性分析

4．3 本章小结

5 总结以及展望

5．1 研究工作总结及结论

5．2 创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文