基于铁磁流体第二类悬浮特性动力吸振器的理论与实验研究

摘要

铁磁流体是一种具有磁学特性以及流动特性的新型功能材料，其独特的悬浮特性广泛应用于振动控制领域。相比于传统的动力吸振器，铁磁流体动力吸振器对惯性力敏感，没有金属元件的疲劳，可以更为有效的对航天器中太阳能帆板等长直挠性元件的低频率、小振幅的振动进行控制。因此，本文基于铁磁流体第二类悬浮特性，设计了一种新型的铁磁流体动力吸振器，并研究了该铁磁流体动力吸振器中刚度系数对其减振性能的影响。本文的具体研究工作如下:
　　(1)建立了该铁磁流体动力吸振器的二自由度振动模型，并基于磁荷模型，对该铁磁流体动力吸振器内部的磁场分布进行了理论推导;
　　(2)提出了该铁磁流体动力吸振器的设计方案。通过理论计算和静磁场仿真两种方式，对比了不同磁极排布方式下空间磁场分布及永磁体之间的磁力，对理论模型的正确性进行了验证，并以此为依据选取了永磁体的磁极排布方式，从而确定了惯性质量块和壳体的结构及尺寸参数;
　　(3)通过实验对铁磁流体的磁化特性进行了标定，研究了铁磁流体的粘度随磁场强度的变化规律。利用流场与磁场耦合仿真研究了铁磁流体的粘度和表面张力系数对铁磁流体液面分布的影响规律。研究结果表明，粘度及表面张力系数对稳定状态时铁磁流体液面分布的影响可以忽略不计，并且铁磁流体液面轮廓与磁感应强度的等值线相重合。对不同几何参数下铁磁流体的液面分布情况进行了观察，得到了惯性质量块的三种悬浮状态;
　　(4)推导了惯性质量块受到的竖直方向作用力和回复力的计算公式。探讨了几何参数对惯性质量块受到的竖直方向作用力的影响规律，得出了惯性质量块的悬浮高度。根据悬浮高度，对惯性质量块受到的回复力进行了测量，得到了铁磁流体动力吸振器的刚度系数，研究表明随着铁磁流体注入量的减小，端面间隙的增加，铁磁流体动力吸振器的刚度系数减小;
　　(5)研究了几何参数和初始振幅对铁磁流体动力吸振器减振性能的影响规律。研究结果表明，在所选取的参数范围内，当端面间隙为38mm、每块永磁体的铁磁流体注入量为5.5g时，铁磁流体动力吸振器减振性能达到最优值，其衰减百分比为93.69％。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1研究背景及铁磁流体技术

1．2铁磁流体悬浮特性的研究现状

1．3铁磁流体动力吸振器的研究现状

1．4课题来源及研究内容

2铁磁流体动力吸振器的理论基础

2．1振动模型

2．2矩形永磁体磁场分布的计算

2．3铁磁流体悬浮特性的理论基础

2．3．1等温定常流动铁磁流体的伯努利方程

2．3．2铁磁流体第二类悬浮力方程

2．3．3铁磁流体力学方程的边界条件

2．4本章小结

3铁磁流体动力吸振器的设计

3．1铁磁流体动力吸振器的设计方案

3．2铁磁流体的选择

3．3惯性质量块的设计

3．3．1惯性质量块的方案设计

3．3．2紫铜支架的设计

3．3．3永磁体的设计

3．3．4上下永磁体磁极排布方式的选择

3．4壳体的设计

3．5本章小结

4铁磁流体液面分布的研究

4．1铁磁流体的表征

4．2铁磁流体液面分布的仿真研究

4．3铁磁流体液面分布对惯性质量块悬浮状态的研究

4．4本章小结

5 惯性质量块悬浮特性的研究

5．1惯性质量块悬浮特性的理论研究

5．1．1惯性质量块竖直方向作用力的理论研究

5．1．2惯性质量块回复力的理论研究

5．2惯性质量块悬浮特性的实验研究

5．2．1惯性质量块竖直方向作用力的实验研究

5．2．2惯性质量块回复力的实验研究

5．3本章小结

6动力吸振器减振性能的研究

6．1实验台与实验过程

6．2安装配重后的振动性能研究

6．3 安装铁磁流体动力吸振器后的振动性能研究

6．3．1几何参数对减振性能的影响

6．3．2初始振幅对减振性能的影响

6．4本章小结

7结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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