磁流變液及其智能阻尼器的研究與應用.pdf

1、磁流變液是一種智能可控流體，將其置于不同的磁場強度下可以改變其流變學、電磁學、光學和聲學等方面的特性，其卓越的能量儲存與轉(zhuǎn)換特性為開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高魯棒性和可無級調(diào)控的智能化器件提供了一條嶄新思路。目前，基于磁流變技術的研究和應用已經(jīng)滲透到了很多領域，包括：汽車減震系統(tǒng)、剎車、離合器，火車機車減震系統(tǒng)、履帶車輛減震系統(tǒng)、火炮后座減震系統(tǒng)、橋梁斜拉索抗風振系統(tǒng)、海洋平臺抗冰振系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)抗地震系統(tǒng)等等。
　　雖然磁流變技術的

2、應用潛力十分巨大，新的研究應用項目也層出不窮，但是在理論研究和實際應用中，磁流變技術都存在著很多不足之處。理論方面：磁流變液的機理和剪切屈服強度特性并沒有完全被揭示，磁流變液的流變模型、磁流變器件的動靜態(tài)力學模型等也有待進一步研究；實際應用方面：標準的磁流變液流變性能測試設備仍未出現(xiàn)，現(xiàn)有的磁流變液存在著懸浮穩(wěn)定性差、疲勞壽命低等缺點，而磁流變液器件存在著示功圖不飽滿、響應時間長、工作溫度范圍窄、密封性能差等缺點。本文全面地研究了磁流變

3、液及其阻尼器的理論與應用，以期對磁流變技術的研究與應用的發(fā)展起到推動作用。
　　磁流變效應是來源于磁性顆粒在磁場下排列成鏈柱狀的微觀結(jié)構(gòu)，但并沒有令人信服的解釋這種現(xiàn)象的理論出現(xiàn)，本文在相變理論的啟發(fā)下，基于n-顆粒鏈模型推導了外部磁場強度與n-顆粒鏈分布函數(shù)的關系式，從而對磁流變效應產(chǎn)生的微觀機理進了定性的解釋。建立在連續(xù)介質(zhì)力學理論基礎上的Oldroyd模型和Jeffreys模型等曾成功地描述了許多高分子材料的流變特性，本文根

4、據(jù)其思路推導了賓漢姆模型的共旋隨流微商推廣模型，并在與三種常用的經(jīng)驗模型相比較中驗證了該模型對磁流變液的流變特性的描述能力。另外，磁流變液的沉降現(xiàn)象是長期困擾人們的一個問題，本文分析了磁流變液中單個顆粒沉降的動力學過程，得出磁流變液的沉降是不可避免的結(jié)論，同時還利用兩相流動力學的一維波理論推導了磁流變液的沉降時間理論表達式，并理論分析了聚合物和觸變劑能有效減小顆粒沉降的原理。
　　目前的磁流變液生產(chǎn)技術已經(jīng)大大地阻礙了它的推廣，尤

5、其是國內(nèi)還沒有商品磁流變液推出的現(xiàn)狀更令人堪憂，為了推動磁流變液的商品化進程，本文在理論和實踐的基礎上力圖全面地總結(jié)出描述磁流變液性能量化指標及其測量方法（包括了五個方面的指標：磁流變效應、流變性能、穩(wěn)定性能、機械磨損性能及疲勞壽命）。本文還以MRF27/50型磁流變液的制備過程為例，探討了磁流變液的原材料選擇、顆粒表面改性到分散穩(wěn)定工藝等幾個方面內(nèi)容，并得出了MRF27/50磁流變液的性能測試報告。
　　為了獲得對磁流變液的磁場

6、下的流變特性的測試手段，本文在分析磁流變液的流變測試原理的基礎上研制開發(fā)了一臺 MRTB型磁流變液流變儀，并通過與ANTON PAAR公司的MCR301型流變儀的測試結(jié)構(gòu)相比來檢驗其可用性；為了獲得對磁流變液的沉降性能定量測量的方法，本文基于磁場疊加原理，研制了一臺 NSLTI型沉降測試儀，并對磁流變液樣品的測試結(jié)果進行了分析。
　　如何準確地設計出適合半主動振動控制的磁流變液阻尼器，是實際工程應用中遇到的第一個問題，為了建立針對

7、雙出桿間隙式磁流變液阻尼器的系統(tǒng)設計理論，本文推導了基于 Herschel-Bulkley模型的偽靜力模型，建立了阻尼器的力學參數(shù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何尺寸之間的理論關系式，并結(jié)合磁路設計原理提出了該類型阻尼器的幾何尺寸設計方法。隨后又探討了磁流變液阻尼器的控制電路和線圈形式對其響應特性的影響，提出使用開關電源、PID控制器及并聯(lián)反向線圈可以對磁流變液阻尼器的響應特性進行改善。
　　同樣，為了推動磁流變液阻尼器的產(chǎn)品化進程，本文推導了磁

8、流變液阻尼器的動態(tài)力學模型，在該模型的基礎上探索了阻尼器的力學性能、密封性能和疲勞性能的測試方法；設計制造了MRD系列磁流變液阻尼器，并進行了性能測試。為了填補國內(nèi)大噸位磁流變液阻尼器的空白，本文還研制了兩個阻尼力大于10噸的阻尼器，并通過實驗討論了并聯(lián)反向線圈形式可以提高最大阻尼力的原因。
　　最后，本文提出了斜拉索半主動振動控制系統(tǒng)用磁流變液阻尼器的設計理論和方法，并完成了山東濱州黃河公路大橋和寧波招寶山大橋的斜拉索半主動振動