磁流變液法向力及減振器研究.pdf

1、磁流變液作為一類智能材料，主要由磁性顆粒、載液和添加劑構(gòu)成，在無外磁場時，磁流變液表現(xiàn)出流體特性;當施加磁場后，磁流變液開始固化，磁性顆粒排列成鏈狀、柱狀或者更為復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);當施加的磁場撤消后，磁流變液重新表現(xiàn)出流體特性。磁流變液這種快速的、可逆的轉(zhuǎn)變，使磁流變液在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。過去的幾十年中，人們對于磁流變液性能的研究主要集中在垂直于磁場方向的剪切性能，比如粘度、剪切屈服應(yīng)力、剪切模量等。
　　 在磁場作用下，

2、磁流變液會沿著磁場的方向產(chǎn)生法向力，對磁流變液法向力的研究具有重要的工程應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)意義。一方面法向力會改變磁流變液流動通道的間距，影響磁流變器械特別是磁流變精密器械的性能;另一方面由于磁流變液法向應(yīng)力遠遠大于其剪切應(yīng)力，則在相同輸出阻尼力的情況下可以極大地縮小磁流變器械的尺寸，使得利用法向力設(shè)計的新型磁流變器械具有更為廣闊的應(yīng)用空間。此外，磁流變液法向力作為磁流變液材料彈性性能的重要體現(xiàn)，對于評價磁流變液材料，理解磁流變液的性能和微

3、觀結(jié)構(gòu)變化都有著極其重要的作用。
　　 目前對于磁流變液法向力的研究還處于起步階段，對磁流變液法向力的認識還不夠透徹。本文將針對不同模式下的磁流變液的法向力及減振器等關(guān)鍵問題展開研究，具體內(nèi)容如下。
　　 1.剪切模式下的磁流變液法向力
　　 利用平板流變儀系統(tǒng)地測試了剪切模式下（包括靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)剪切和振蕩剪切）的磁流變液法向力，得到了法向力與測試時間、磁場、溫度、剪切速率、以及頻率和振幅等的關(guān)系，并利用分子動力學(xué)

4、方法模擬其變化關(guān)系。在靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)剪切下，發(fā)現(xiàn)磁流變液法向力隨磁場增加逐漸增大并趨于飽和，對此提出了一種磁化模型進行擬合。在恒定的磁場下，靜態(tài)法向力隨測試時間保持不變;而穩(wěn)態(tài)剪切法向力隨測試時間周期振蕩變化，表明測試平板具有極小的傾斜角也會引起極大的實驗誤差，這對于精密測量有著舉足輕重的影響。穩(wěn)態(tài)剪切法向力并不總大于靜態(tài)法向力，他們的大小關(guān)系依賴于磁場強度、樣品體積分數(shù)和剪切速率，且都隨溫度的升高而增大。借助于動態(tài)信號分析儀，首次測試了振

5、蕩剪切下磁流變液法向力。振蕩剪切法向力隨測試時間的變化可分為兩類:線性粘彈性區(qū)域法向力為常值，非線性粘彈性區(qū)域法向力周期振蕩變化。在振蕩剪切下，隨振幅變化的法向力可分為三個區(qū)域;但隨著頻率的增加，法向力保持不變，這表明振蕩剪切下法向力的測試為理解磁流變液動態(tài)性能提供了一個全新的途徑。將分子動力學(xué)方法引入到剪切模式下的磁流變液法向力的研究中，計算了磁流變液的法向力及其微觀機構(gòu)演化，定性地解釋了部分實驗結(jié)果。該研究為磁流變液剪切模式下的法向

6、力提供了一個全面的認識和理解，并為磁流變液法向力的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 2.擠壓模式下的磁流變液法向力
　　 在非均勻磁場下，利用平板流變儀系統(tǒng)測試等面積壓縮下磁流變液法向力，得到磁流變液法向力隨磁場、顆粒濃度、載液粘度、擠壓速度和初始間距變化的關(guān)系。磁流變液法向力隨著壓縮間距的減小而逐漸增大，其變化關(guān)系可以分為兩個區(qū)域:彈性變形和塑性流動區(qū)。在塑性流動區(qū)域，法向力與壓縮間距之間滿足冪律函數(shù)關(guān)系。特別地，考慮磁場的非均勻

7、性，以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，計算了等面積壓縮下磁流變液法向力隨間距的變化關(guān)系，并且考慮密封效應(yīng)和擠壓增強效應(yīng)，得到了法向力隨間距變化的冪律關(guān)系指數(shù)變化范圍，其與實驗結(jié)果吻合良好。更進一步，為了減小密封效應(yīng)的影響，利用自制的實驗設(shè)備系統(tǒng)測試了均勻磁場下等體積壓縮磁流變液法向力的變化關(guān)系。與等面積壓縮不同，等體積壓縮下的擠壓速度對法向力具有相反的作用，這與擠壓過程中磁流變液顆粒鏈的變化有關(guān)。該研究深刻地揭示了擠壓模式下磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)演化情

8、況，為研制擠壓模式的磁流變液減振器打下良好的基礎(chǔ)，并進一步推動磁流變液擠壓式減振器向?qū)嵱没l(fā)展。
　　 3.磁流變液擠壓式和閥式減振器
　　 在磁流變液擠壓模式研究的基礎(chǔ)上，研制出擠壓模式磁流變液減振器，對其進行了電磁場的有限元分析和阻尼力的理論計算，并在MTS上對其動態(tài)性能進行了實驗測試。實驗結(jié)果表明設(shè)計的磁流變液擠壓式減振器具有良好阻尼力可控性能，其極小的尺寸可以輸出極大的阻尼力，在大型設(shè)備的隔振研究中具有極其重要的

9、應(yīng)用價值。
　　 為了將磁流變液減振器應(yīng)用于我國高速列車的橫向減振研究中，設(shè)計了一種新型的雙筒旁通式磁流變液閥式減振器。該減振器具有較大的行程，可提供對稱的輸出阻尼力，其最大阻尼力約為10kN;液體單一流向的獨特設(shè)計方式保證了磁流變液閥式減振器具有良好抗沉降性能;減振器具有較短的響應(yīng)時間，可以滿足實際控制的需要。利用合作搭建的兩自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)實驗平臺和相應(yīng)的軟硬件控制系統(tǒng)，對磁流變液減振器原理樣機進行了半主動控制實驗研究，結(jié)