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(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液表現(xiàn)出流體特性;當(dāng)施加磁場(chǎng)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(dāng)施加的磁場(chǎng)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(guò)去的幾十年中，人們對(duì)于磁流變液性能的研究主要集中在垂直于磁場(chǎng)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(chǎng)作用下，

2、磁流變液會(huì)沿著磁場(chǎng)的方向產(chǎn)生法向力，對(duì)磁流變液法向力的研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。一方面法向力會(huì)改變磁流變液流動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(duì)于評(píng)價(jià)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(duì)于磁流變液法向力的研究還處于起步階段，對(duì)磁流變液法向力的認(rèn)識(shí)還不夠透徹。本文將針對(duì)不同模式下的磁流變液的法向力及減振器等關(guān)鍵問(wèn)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(cè)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(cè)試時(shí)間、磁場(chǎng)、溫度、剪切速率、以及頻率和振幅等的關(guān)系，并利用分子動(dòng)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(chǎng)增加逐漸增大并趨于飽和，對(duì)此提出了一種磁化模型進(jìn)行擬合。在恒定的磁場(chǎng)下，靜態(tài)法向力隨測(cè)試時(shí)間保持不變;而穩(wěn)態(tài)剪切法向力隨測(cè)試時(shí)間周期振蕩變化，表明測(cè)試平板具有極小的傾斜角也會(huì)引起極大的實(shí)驗(yàn)誤差，這對(duì)于精密測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度、樣品體積分?jǐn)?shù)和剪切速率，且都隨溫度的升高而增大。借助于動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀，首次測(cè)試了振

5、蕩剪切下磁流變液法向力。振蕩剪切法向力隨測(cè)試時(shí)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(gè)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(cè)試為理解磁流變液動(dòng)態(tài)性能提供了一個(gè)全新的途徑。將分子動(dòng)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(jì)算了磁流變液的法向力及其微觀機(jī)構(gòu)演化，定性地解釋了部分實(shí)驗(yàn)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(gè)全面的認(rèn)識(shí)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(chǎng)下，利用平板流變儀系統(tǒng)測(cè)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(chǎng)、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(gè)區(qū)域:彈性變形和塑性流動(dòng)區(qū)。在塑性流動(dòng)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(chǎng)的非均勻

7、性，以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，計(jì)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。更進(jìn)一步，為了減小密封效應(yīng)的影響，利用自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)測(cè)試了均勻磁場(chǎng)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(duì)法向力具有相反的作用，這與擠壓過(guò)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(jìn)一步推動(dòng)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(duì)其進(jìn)行了電磁場(chǎng)的有限元分析和阻尼力的理論計(jì)算，并在MTS上對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)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(jià)值。
　　 為了將磁流變液減振器應(yīng)用于我國(guó)高速列車的橫向減振研究中，設(shè)計(jì)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(duì)稱的輸出阻尼力，其最大阻尼力約為10kN;液體單一流向的獨(dú)特設(shè)計(jì)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(shí)間，可以滿足實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)和相應(yīng)的軟硬件控制系統(tǒng)，對(duì)磁流變液減振器原理樣機(jī)進(jìn)行了半主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)