齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器力学特性的数值与理论研究

摘要

电涡流阻尼作为一种新型的阻尼形式广泛应用于车辆制动、航天航空、机械加工等领域的振动控制。相较于传统黏滞液体阻尼器，电涡流阻尼具有非接触、寿命长、维护少、易于调节安装等优点。因此，电涡流阻尼器能从根本上解决黏滞液体阻尼器的漏油问题。近年来，湖南大学陈政清教授课题组申请了一系列电涡流阻尼专利，解决了电涡流阻尼耗能密度较低的缺点，并开始逐步应用于土木工程大型结构的振动控制，包括板式电涡流阻尼器及滚珠丝杠式电涡流阻尼器等。针对课题组已提出的一种新型齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器，本文从理论分析、电磁有限元数值模拟和样机试验三个方面对其力学性能进行了系统的研究，主要工作内容和成果如下：　　(1)采用理论分析方法研究了齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器的力学性能。基于匀强磁场和不漏磁假定，推导了齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器阻尼力的简化计算公式，并采用有限元仿真结果对简化计算公式的准确性进行了对比研究。研究结果表明：低速时，简化计算值与电磁有限元仿真值总体吻合较好，气隙与背铁对简化计算公式准确性的影响较小，永磁体位置与数量对简化计算公式准确性的影响较大；高速时，建立的非线性数学模型可模拟齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器的非线性力学特性，修正计算值与电磁有限元仿真值总体吻合较好。　　(2)采用电磁有限元软件COMSOLMultiphysics的稳态分析方法，建立了电磁有限元模型，研究了齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器的力学性能，系统研究了主要设计参数对该阻尼器力学特性的影响，包括导体板厚度、导体板材质、背铁厚度、气隙大小、永磁体数量与永磁体位置等。研究结果表明：随着导体板厚度的增大，线性阻尼系数会增大，但其最大阻尼力会明显减小；背铁厚度对阻尼力影响不大；气隙减小、永磁体数量增加，阻尼力均明显增大。　　(3)设计制作了齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器的样机，进行了力学特性测试，并与电磁有限元仿真结果进行比较研究。研究结果表明：电磁有限元仿真结果与样机测试结果总体吻合较好，验证了数值仿真的可靠性。

目录

第1章 绪论

1.1结构振动控制的研究概况与发展

1.1.1结构振动控制的研究概况

1.1.2结构振动控制的方法

1.2电涡流阻尼的研究概况与发展

1.2.1电涡流阻尼的原理与特点

1.2.2电涡流TMD的研究概况

1.3本课题的研究意义和研究内容

第2章 齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器力学特性的简化计算理论

2.1齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器的构造

2.2简化计算公式的推导过程

2.3电磁有限元仿真与对比分析

2.3.1电磁有限元模型的建立

2.3.2基本假设的仿真验证

2.3.3仿真与简化计算结果对比

2.4简化计算公式准确性的参数研究及修正

2.4.1气隙的影响

2.4.2背铁的影响

2.4.3永磁体位置的影响

2.4.4永磁体数量的影响

2.4.5导体板厚度的影响

2.4.6修正计算公式

2.5修正计算公式的设计验算

2.5.1设计验算工况

2.5.2各修正系数取值

2.5.3实际设计验算

2.6本章小结

第3章 齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器力学特性的电磁有限元仿真

3.1电磁有限元模型的建立

3.1.1电磁有限元软件的简介

3.1.2计算模型标准工况的参数

3.1.3电磁有限元建模过程

3.1.4仿真网格的划分

3.2齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器力学特性的数值参数研究

3.2.1气隙的影响

3.2.2背铁的影响

3.2.3永磁体位置的影响

3.2.4永磁体数量的影响

3.2.5导体板厚度的影响

3.2.6导体板材料的影响

3.3本章小结

第4章 齿轮齿条式电涡流隔震阻尼器力学特性的试验研究

4.1试验概况

4.1.1样机介绍

4.1.2试验装置及试验方法

4.1.3试验参数及工况

4.2试验结果及数值仿真结果对比

4.2.1标准工况下的试验结果及对比

4.2.2气隙的影响

4.2.3背铁的影响

4.2.4永磁体位置的影响

4.2.5永磁体数量的影响

4.2.6导体板厚度的影响

4.3本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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