電流變材料及減振控制研究.pdf

1、近年來(lái)，智能材料及其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。作為一種典型的智能材料，電流變液體在外加電場(chǎng)的作用下，粘度、模量和屈服應(yīng)力等發(fā)生迅速變化，而當(dāng)電場(chǎng)取消后，液體的性能又迅速恢復(fù)到常態(tài)。由于電流變液的這一特性，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)與力矩之間的可控、無(wú)級(jí)和可逆?zhèn)鬟f，特別適合于在機(jī)電耦合系統(tǒng)中的應(yīng)用，如減振器、離合器、制動(dòng)器和機(jī)器人等，因而顯示了廣闊的應(yīng)用前景。 電流變器件響應(yīng)迅速、能耗小、控制方便，在汽車懸架的半主動(dòng)控制和結(jié)構(gòu)振動(dòng)控

2、制方面顯示了誘人的發(fā)展前景。但是，目前研制的電流變液普遍存在著剪切應(yīng)力值小，高剪切速率下難以成鏈，溫度穩(wěn)定性差和沉淀等問(wèn)題，導(dǎo)致電流變減振器阻尼力調(diào)節(jié)范圍小，高速失效等。因此，研制高性能的電流變液體材料和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的電流變減振器仍然是一個(gè)艱巨的工作。本文圍繞高性能電流變液體材料的研制，電流變減振器及汽車懸架半主動(dòng)控制方法的研究，主要進(jìn)行了以下研究工作： ①針對(duì)TiO2 具有高介電常數(shù), 而在干態(tài)卻表現(xiàn)出很弱的電流變效應(yīng)的問(wèn)題，

3、依據(jù)介電極化理論和電導(dǎo)模型，提出了采用鈰、釔離子摻雜TiO2，制備高性能無(wú)水電流變液體材料的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜引起TiO2 晶格畸變，晶面間距增大，缺陷密度增加，極化能力增強(qiáng)，電流變液體力學(xué)性能大幅增長(zhǎng)。 ②采用Sol-gel 方法成功制備了鈰、釔摻雜TiO2 電流變粉體顆粒材料。實(shí)驗(yàn)表明，制備工藝參數(shù)和條件直接影響摻雜TiO2 的相成分、均勻性、粒徑和介電性質(zhì)，從而對(duì)電流變活性產(chǎn)生重要的影響，嚴(yán)格控制工藝條件是制備高性能電

4、流變粉體顆粒材料的關(guān)鍵。 ③利用掃描電鏡、X 射線衍射、紅外光譜分析等現(xiàn)代分析手段，對(duì)電流變粉體顆粒材料進(jìn)行了物理表征。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顆粒的微觀形貌呈多邊形，大小基本均勻，粒徑在30-50 m μ。干凝膠的熱分解過(guò)程分為三個(gè)階段：2000C 以下發(fā)生吸附水分及有機(jī)溶劑的揮發(fā)；2000C～4000C 出現(xiàn)有機(jī)物丁基等的斷裂、分解和燃燒；4000C 以上為無(wú)定形二氧化鈦的持續(xù)晶化過(guò)程。晶化過(guò)程不存在明顯的晶化溫度。Ce、Y 摻雜均促進(jìn)

5、了晶化過(guò)程，但抑制二氧化鈦從銳鈦礦結(jié)構(gòu)向金紅石結(jié)構(gòu)的相變程度不同，Y 的作用更強(qiáng)。 ④研究了粉體顆粒材料的介電性質(zhì)如介電常數(shù)、介電損耗和電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻雜引起顆粒介電常數(shù)、介電損耗和電導(dǎo)率升高，介電損耗角的正切由小于0.05上升到0.565，電導(dǎo)率由3×10-9S/m上升到8.25×10-7 S/m，低頻介電常數(shù)由90.5上升到273；顆粒介電性質(zhì)與摻雜量有明顯的依賴關(guān)系，表明摻雜引起TiO2顆粒介電性能的改變是導(dǎo)致電流變

6、液力學(xué)性能顯著升高的內(nèi)在原因。 ⑤研制出了兩種高性能的無(wú)水電流變液體材料。在3kV/mm電場(chǎng)下，當(dāng)體積比為22％時(shí)，它們的剪切屈服應(yīng)力達(dá)到6kPa以上，而漏電流密度小于10μA/cm2。該電流變液體材料的研制為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)汽車電流變減振器奠定了基礎(chǔ)。 ⑥利用Newton 流體和Bingham流體的本構(gòu)方程推導(dǎo)了基于平板模型和軸對(duì)稱模型的流變學(xué)方程，提出了阻尼力計(jì)算方法。采用平板模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)減振器阻尼特性的影響

7、，確定了電流變減振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)外特性進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。 ⑦試制出了微型汽車電流變減振器。完成了電流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。對(duì)電流變減振器進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試了電流變減振器的外特性。測(cè)試表明：隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，減振器示功曲線所包圍的面積逐漸增大，耗能增加，減振效果增強(qiáng)，阻尼力可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。 ⑧對(duì)電流變減振器阻尼力的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。分析了誤差產(chǎn)生的原因，從而提出了平板模型的修正系數(shù)。經(jīng)修正

8、后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模型獲得了比較好的吻合。 ⑨建立了汽車懸架振動(dòng)系統(tǒng)模型和道路模型，研究了基于電流變減振器的連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架LQG 最優(yōu)控制、滑?？刂坪湍：壿嬁刂?，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。從控制效果和可實(shí)現(xiàn)性方面對(duì)三種控制方法進(jìn)行了比較和評(píng)價(jià)。 研究表明：在不考慮模型參數(shù)變化和系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性的前提下，最優(yōu)控制顯示了最好的控制效果，使懸架各項(xiàng)性能指標(biāo)得到了良好的兼顧?；？刂埔灿斜容^好的控制效果，可實(shí)現(xiàn)性優(yōu)于LQG 最優(yōu)控