磁流变液法向力及减振器研究

摘要

磁流变液作为一类智能材料，主要由磁性颗粒、载液和添加剂构成，在无外磁场时，磁流变液表现出流体特性;当施加磁场后，磁流变液开始固化，磁性颗粒排列成链状、柱状或者更为复杂的网状结构;当施加的磁场撤消后，磁流变液重新表现出流体特性。磁流变液这种快速的、可逆的转变，使磁流变液在许多领域获得了广泛的应用。过去的几十年中，人们对于磁流变液性能的研究主要集中在垂直于磁场方向的剪切性能，比如粘度、剪切屈服应力、剪切模量等。
　　 在磁场作用下，磁流变液会沿着磁场的方向产生法向力，对磁流变液法向力的研究具有重要的工程应用价值和学术意义。一方面法向力会改变磁流变液流动通道的间距，影响磁流变器械特别是磁流变精密器械的性能;另一方面由于磁流变液法向应力远远大于其剪切应力，则在相同输出阻尼力的情况下可以极大地缩小磁流变器械的尺寸，使得利用法向力设计的新型磁流变器械具有更为广阔的应用空间。此外，磁流变液法向力作为磁流变液材料弹性性能的重要体现，对于评价磁流变液材料，理解磁流变液的性能和微观结构变化都有着极其重要的作用。
　　 目前对于磁流变液法向力的研究还处于起步阶段，对磁流变液法向力的认识还不够透彻。本文将针对不同模式下的磁流变液的法向力及减振器等关键问题展开研究，具体内容如下。
　　 1.剪切模式下的磁流变液法向力
　　 利用平板流变仪系统地测试了剪切模式下（包括静态、稳态剪切和振荡剪切）的磁流变液法向力，得到了法向力与测试时间、磁场、温度、剪切速率、以及频率和振幅等的关系，并利用分子动力学方法模拟其变化关系。在静态和稳态剪切下，发现磁流变液法向力随磁场增加逐渐增大并趋于饱和，对此提出了一种磁化模型进行拟合。在恒定的磁场下，静态法向力随测试时间保持不变;而稳态剪切法向力随测试时间周期振荡变化，表明测试平板具有极小的倾斜角也会引起极大的实验误差，这对于精密测量有着举足轻重的影响。稳态剪切法向力并不总大于静态法向力，他们的大小关系依赖于磁场强度、样品体积分数和剪切速率，且都随温度的升高而增大。借助于动态信号分析仪，首次测试了振荡剪切下磁流变液法向力。振荡剪切法向力随测试时间的变化可分为两类:线性粘弹性区域法向力为常值，非线性粘弹性区域法向力周期振荡变化。在振荡剪切下，随振幅变化的法向力可分为三个区域;但随着频率的增加，法向力保持不变，这表明振荡剪切下法向力的测试为理解磁流变液动态性能提供了一个全新的途径。将分子动力学方法引入到剪切模式下的磁流变液法向力的研究中，计算了磁流变液的法向力及其微观机构演化，定性地解释了部分实验结果。该研究为磁流变液剪切模式下的法向力提供了一个全面的认识和理解，并为磁流变液法向力的应用奠定基础。
　　 2.挤压模式下的磁流变液法向力
　　 在非均匀磁场下，利用平板流变仪系统测试等面积压缩下磁流变液法向力，得到磁流变液法向力随磁场、颗粒浓度、载液粘度、挤压速度和初始间距变化的关系。磁流变液法向力随着压缩间距的减小而逐渐增大，其变化关系可以分为两个区域:弹性变形和塑性流动区。在塑性流动区域，法向力与压缩间距之间满足幂律函数关系。特别地，考虑磁场的非均匀性，以连续介质理论为基础，计算了等面积压缩下磁流变液法向力随间距的变化关系，并且考虑密封效应和挤压增强效应，得到了法向力随间距变化的幂律关系指数变化范围，其与实验结果吻合良好。更进一步，为了减小密封效应的影响，利用自制的实验设备系统测试了均匀磁场下等体积压缩磁流变液法向力的变化关系。与等面积压缩不同，等体积压缩下的挤压速度对法向力具有相反的作用，这与挤压过程中磁流变液颗粒链的变化有关。该研究深刻地揭示了挤压模式下磁流变液的微观结构演化情况，为研制挤压模式的磁流变液减振器打下良好的基础，并进一步推动磁流变液挤压式减振器向实用化发展。
　　 3.磁流变液挤压式和阀式减振器
　　 在磁流变液挤压模式研究的基础上，研制出挤压模式磁流变液减振器，对其进行了电磁场的有限元分析和阻尼力的理论计算，并在MTS上对其动态性能进行了实验测试。实验结果表明设计的磁流变液挤压式减振器具有良好阻尼力可控性能，其极小的尺寸可以输出极大的阻尼力，在大型设备的隔振研究中具有极其重要的应用价值。
　　 为了将磁流变液减振器应用于我国高速列车的横向减振研究中，设计了一种新型的双筒旁通式磁流变液阀式减振器。该减振器具有较大的行程，可提供对称的输出阻尼力，其最大阻尼力约为10kN;液体单一流向的独特设计方式保证了磁流变液阀式减振器具有良好抗沉降性能;减振器具有较短的响应时间，可以满足实际控制的需要。利用合作搭建的两自由度弹簧质量系统实验平台和相应的软硬件控制系统，对磁流变液减振器原理样机进行了半主动控制实验研究，结果表明磁流变液减振器具有良好的减振效果。该研究为磁流变液半主动减振技术应用于高速列车减振打下良好的基础，有利于高速列车减振系统的国产化发展。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

符号说明

第1章 绪论

1．1 磁流变液及磁流变效应

1．2 磁流变液性能研究

1．2．1 磁流变液剪切性能

1．2．2 剪切模式下磁流变液的法向力

1．2．3 挤压模式下磁流变液法向力

1．3 磁流变液减振器

1．3．1 磁流变液阀式减振器

1．3．2 磁流变液剪切式减振器

1．3．3 磁流变液挤压式减振器

1．4 本文的研究目标和内容

第2章 剪切模式下磁流变液法向力

2．1 实验测试条件

2．1．1 实验材料

2．1．2 测试系统

2．1．3 测试原理

2．1．4 测试方法

2．2 静态法向力

2．2．1 静态法向力与测试时间的关系

2．2．2 静态法向力与磁场的关系

2．2．3 静态法向力与温度的关系

2．3 稳态剪切下的法向力

2．3．1 稳态剪切法向力与测试时间的关系

2．3．2 稳态剪切法向力与磁场的关系

2．3．3 稳态剪切法向力与剪切速率的关系

2．3．4 稳态剪切法向应力与剪切应力的关系

2．3．5 稳态剪切法向力与温度的关系

2．3．6 静态法向力与稳态剪切法向力的比较

2．4 振荡剪切下的法向力

2．4．1 磁流变液动态性能

2．4．2 振荡剪切法向力与测试时间的关系

2．4．3 振荡剪切法向力与振幅的关系

2．4．4 振荡剪切法向力与频率的关系

2．4．5 振荡剪切法向力与温度的关系

2．5 剪切模式下法向力的数值模拟

2．5．1 分子动力学方法

2．5．2 静态法向应力的模拟结果

2．5．3 稳态剪切下法向应力的模拟结果

2．5．4 振荡剪切下法向应力的模拟结果

2．6 小结

第3章 挤压模式下磁流变液法向力

3．1 等面积挤压模式下的磁流变液法向力

3．1．1 实验测试条件

3．1．2 实验结果分析

3．1．3 理论分析

3．2 等体积挤压模式下的磁流变液法向力

3．2．1 实验测试条件

3．2．2 理论分析

3．2．3 实验结果分析

3．3 等面积挤压和等体积挤压的比较

3．4 小结

第4章 不同工作模式下磁流变液减振器

4．1 磁流变液挤压式减振器

4．1．1 磁流变液挤压式减振器的设计

4．1．2 磁流变液挤压式减振器的磁路分析

4．1．3 磁流变液挤压式减振器阻尼力的理论分析

4．1．4 磁流变液挤压式减振器性能测试

4．2 磁流变液阀式减振器

4．2．1 磁流变液阀式减振器的设计

4．2．2 磁流变阀结构的磁路分析

4．2．3 磁流变液阀式减振器阻尼力的理论分析

4．2．4 磁流变液阀式减振器性能测试

4．3 磁流变挤压和阀式减振器的比较

4．4 磁流变液减振器的半主动减振研究

4．4．1 磁流变液减振器实验样机

4．4．2 实验平台设计

4．4．3 天棚控制

4．4．4 减振效应

4．5 小结

第5章 总结和展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果