（人机与环境工程专业论文）新型结构磁流变减震器的设计与实验研究.pdf

中田民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n d i n gg e a ri so n eo ft h em o s te s s e n t i a lc o m p o n e n t so ft h ea i r c r a f t i ts u p p o r t st h e a i r c r a f td u r i n gp a r k i n ga n de n d u r e st h el o a d sd u r i n gg r o u n dn l a l l e b v e l s m o s to ft h ev e r t i c a l a n dh o r i z o n t a lk i n e t i ce n e r g ya r ea b s o r b e da n dd i s s i p a t e db yl a n d i n gg e a r i tp l a y sa l le x t r e m e i m p o r t a n tr o l e i np r e v e n t i n gt h ea i r f r a m ef r o mv i b r a t i o na n de x c e s s i v ei m p a c tf o r c e s , i m p r o v i n gp a s s e n g e rc o m f o r t a b l ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n c r e a s i n ga i r c r a f tf l i g h ts a f e t y t h e s h o c ka b s o r b e ri st h eh e a r to ft h el a n d i n gg e a rs y s t e m , i t sf u n c t i o ni sa b s o r b st h ei m p a c t e n e r g yw h e nt h ea i r c r a f tl a n d i n g t h e r e f o r , t h es t u d yo f n o v e ls t r u e t u a ls h o c ka b s o r b e ri sv e r y i m l x n t a n t 1 1 1 cm a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i da b s o r b e ri sak i n do fn o v e li n t e l l i g e n tm a t e r i a l d e v i c e i th a sal o to fa d v a n t a g e sc o m p a r et oc o l l n l o n l i q u i da b s o r b e r ：l o wp o w e r r e q u i r e m e n t s w i d ed y n a m i cr a n g e sa n df a s tr e a c t i o n i ti sat y p i c a lc o n t r o l l a b l ef l u i da b s o r b e r i ti st h em o s te f f e c t i v e l yi n t e l l i g e n c es e t t i n gt oc a r r yo u ta c t i v eo rt h eh a l fc o n t r o lo ft h e e n g i n e e r i n gv i b r a t i o n i ti st h ek e yt h a th o wt om a k em o r em a g n e t i cl i n ep a s st h r o u g ht h ed a m p r o u t e w a y a s 幻 t h em r f a b s o r b e r , t h ev e r t i c a lm a g n e t i cl i n ei sm o r ee f f e c tt ot h em a g n e t o - r h e o l o g i c a le f f e c t a c c o r d i n gt ot h i st h e o r y , aa b s o r b e rw i t hv e r t i c a lm a g n e t i cf i e l da n dm u l t i - r i n gg r o o v e si s d e s i g n e d t h a ti st h em a g n e t i cd e n s i t yi sv e r t i c a lt ot h em r ff l o w i n gd i r e c t i o na n dt h e t h r o t t l ei sas m a l lo r i f i c e n ea d v a n t a g ei st h a tt h em a g n e t i cd e n s i t yc a nb ef u l l yu s e d ，t h e l e a d i n ga n ds e a lo ft h el o o pi se a s ya n dt h ed a m p e rc a nb eu s e da st h ec o l l l n l o nh y d r a u l i c d a m p e rw h i l et h e r ei sn om a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h et h e o r yo fe q u i v a l e n tm a g n e t i cc i r c u i t , d e s i g nt h em a g n e t i cc i r c u i to f m u l t i - r i n gg r o o v e ss t r u c t u r em rf l u i da b s o r b e rd e s i g n e db yo u r s e l v e sh a v eb e e nn u d ei nt h i s p a p e r a sw e l l 私p a ya t t e n t i o nt ot h em a g n e t i cc i r c u i to v e r a l ld e s i g n , w ea d j u s tt h ew e a kl i n k s s u c h 鹊s t r u c t u r e ，s i z ea n dm a t e r i a l ，s oa st oe n h a n c et h ee f f e c to f m a g n e t i cc i r c u i ta n dr e c e i v e b e t t e re x p e r i m e n t a le f f e c t a f t e rd e s i g n i n ga n dm a c h i n i n g ，s t a r t i n ge x p e r i m e mt ot h i sa b s o r b e ra n dr e c e i v i n gb e t t e r e x p e r i m e n t a le f f e c t k e y w o r d s ：l a n d i n gg e 鸥s h o c ka b s o r b e r , m rf l u i d , m a g n e t i cc i r c u i td e s i g n 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 研究生签名：至阻导师签名：踢期： 垄矽 中国民航大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁流变液及磁流变减震器的研究现状 1 1 1 磁流变液的研究现状 磁流变液( m a g n e t o r h e l o g i c a lf l u i d s ，简称m r f ) 是由微米尺寸的磁极化颗粒分散于非 导磁的载体液中所形成的悬浮液，是流变特性随外加磁场的变化而变化的一种智能材 料。近年来，随着材料制备技术的进步，磁流变液表现出了优良的性能，如：屈服应力 大、响应速度快、变化过程可逆、工作温度范围宽、与现有液压系统兼容和对污染的不 敏感等，这使得磁流交液在航空航天、汽车制造、机电工程、建筑、精密加工、医疗等 领域，具有广阔的应用前景。 磁流变液自1 9 4 8 年发明以来，发展一直缓慢。直到2 0 世纪9 0 年代，磁流变液才 重新被人们重视研究，并取得长足的进步。美国l 0 r d 公司的c a r l s o n 和w e i s s 等人自1 9 9 3 年以来在磁流变液及其应用研究方面取得了突出成就【l 】。美国福特汽车公司的g i n d e r 等 人对磁流变液屈服应力的有限元分析1 2 及性能的提高【3 】进行了研究。美国通用汽车公司 f o i s t e r 和g o p a l s w a m y 等人研制了磁流变液【4 】。美国加州州立大学的z h u 和l i u 等人对 磁流变液的流变学，特别是微观结构进行了较多研究嘲。白俄罗斯传热传质研究所 k o r d o n s k i 等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密封等应用研究方面取得了重大进 展1 6 1 。法国n i c e 大学b o s s i s 和c u t i l l a s 等人在磁流变液的机理研究，特别是在微观结构 分析方面作了很多工作【7 l 。德国b a s f a g 的k o r m a n n 等人已研制出了稳定的纳米级磁 流变液 8 1 。 在我国，哈尔滨工业大学的李金海、关新春、欧进萍等人对磁流变液的配制及其流 变模型进行了研究1 9 1 ；中国科学技术大学唐新鲁对磁流变液的机理【1 0 l 及阻尼器的性能 1 l 】 进行了研究；金昀【1 2 1 研制了两套磁流变液屈服应力测试系统；陈祖耀等人【1 3 j 用新方法制 备了超细磁性粉末和磁流变液；复旦大学潘胜【1 4 1 等人研制了磁流变液及测量仪器。西北 工业大学的余心宏、王立忠在磁流变液内部相互作用的机理及活性剂对磁流变液稳定性 的作用机理等方面进行了研究【l 卯。电子科技大学的杨仕清等人用球形羰基铁颗粒、硅油 和油酸制备了磁流变液，并对其性能进行实验研究【i6 】。中国科学院合肥智能研究所与中 国科学院传感技术国家重点实验室的张正勇、张耀华、虞承瑞等对以金属颗粒为主体的 磁流变液的一般特性进行了实验【1 7 】。黑龙江化工学院的赵丽、布和巴特儿、田言对磁流 变液的制备及国内外进展情况做了研究【l 硼。武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验 室的管建国教授等对电流变液、磁流变液有较深的研究。此外，重庆大学的司鹄【1 9 1 、廖 昌荣【2 0 1 和重庆仪表材料研究所的张平【2 l 】以及同济大学彭金松1 2 2 ，中国科学技术大学王 中国民航大学硕士学位论文 琪民田1 等人还对磁流变液的流变性能进行研究。但目前我国在磁流变液的研制与性能研 究方面与国外还有一定的差距。 l 1 2 磁流变减震器的研究现状 磁流变减震器是利用磁流液的可控特性实现阻尼力的无级可调的智能机械动作器， 具有调节范围宽、耗能低、响应速度快、结构简单、阻尼力大、容易控制等特点。目前， 磁流变减震器的研究和开发逐渐成为各国学者和工程技术人员追踪的热点，已有大量关 于汽车、建筑结构、机器人、直升飞机和健身器材等领域的专利和文献报道，越来越多 的学者和工程技术人员对此产生了浓厚的兴趣。开发基于磁流变减震技术的可调减震器 是实现减振系统半主动控制的关键技术之一。因此，对磁流变减震器进行设计和研究， 具有非常重要的意义。 在磁流变器件的开发和应用方面，美国l o r d 公司和t r w 研究所的工作较为出 色。其中p i n k o s 等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控 制实验 2 4 1 ，美国l o r d 的工程技术人员开发了一种车辆座椅悬架阻尼器【”。美国马里兰 大学航空工程系在磁流变阻尼器的设计理论方面一直处于领先地位，代表着世界先进水 平。他们也开发了充气补偿结构的汽车磁流变阻尼器。韩国学者s e u n g b o kc h o i 开发 了客车悬架系统磁流变阻尼器。美国德尔夫( d e l p h i ) 公司开发了汽车磁流变阻尼悬架系 统m a g n e r i d e ，现在德尔夫公司已经开始与通用汽车公司合作在c a d i l a c 高档轿车上 试用。2 0 0 5 年3 月初，随着通用汽车2 0 0 6 款凯迪拉克s r x 进入中国市场，德尔福公司 的磁流变减振器( m a g n e r i d e ) 技术首次亮相中国市场。 在国内磁流变减震器研究方面，上海交通大学的汪建晓，孟光等人分析了磁流变液 减振器的四种非线性模型，即a k a g h a m 模型，非线性双粘性模型，非线性滞回双粘性模 型以及b o u c w e n 模型。将实验结果和理论值进行比较发现，a m g h a m 模型只适用于小 阻尼情形，磁流变液减振器在低频时效果很好【2 5 】。 重庆大学的廖昌荣、杨建春、陈伟民、黄尚廉等人对汽车用磁流变液减振器做了很 多研究。他们对影响磁流变液减振器性能的因素、设计准则、阻尼通道的设计、磁芯材 料的选择、阻尼力的计算以及体积补偿等问题做了深入的研究。他们还按照长安微型汽 车的技术要求设计了磁流变液减振器，并根据长安微型汽车前悬架减振器的技术条件进 行了试验测试冽。 哈尔滨工业大学的欧进萍、关新春、杨飚等人对磁流变液减振器在基础隔震方面做 了很多研究，提出了可调滞回模型的磁流变液减振器及其试验方法，进行理论分析、试 验和算例分析，还建立了阻尼力的b o u c - w e n 模型，并有多篇论文发表【2 7 】。青岛海洋大 学的管友海、李华军、黄维平等人基于现代最优控制理论，建立海洋平台磁流变液半主 动控制系统的数学模型，对磁流变液减振器进行了参数设计，分析了它对海洋平台振动 控制的有效性，仿真结果表明。采用磁流变液减振器对海洋平台进行半主动控制能够有效 2 中国民航大学硕士学位论文 的减小平台的动态响应嘲。 南京航空航天大学的郭大蕾、胡海岩等人对磁流变液减振器在车辆悬架半主动控制 中的应用做了一定的研究网。周丽、张志诚运用神经网络技术建立m r 阻尼器的神经网 络模型来模拟其逆向动特性，并设计与之相适应的动控制系统。建立起基于m r 阻尼器 的结构振动控制的有效性分析方法。通过数值仿真结果探讨所提出的结构控制策略的有 效性【3 0 1 。 国内在磁流变减震器方面虽有一定的进展，但与国外发达国家尚有一定差距，所研 制的磁流变减震器还处于试验阶段，远未达到商业化应用的程度。研究范围主要集中在 对汽车悬架控制及基础隔震等方面。针对不同的应用领域，设计磁流变减震器件还没有 一套完整的设计理论和方法。 1 2 本课题研究的意义 本课题是国家自然科学基金资助项目基于磁流变原理的飞机起落架减震机理研 究( 项目编号：6 0 5 7 2 1 6 3 ) 的组成部分。 飞机在着陆时，地面要对飞机产生很大的冲击力。飞机在起飞和着陆滑跑过程中， 也会由于地面的不平而与地面发生碰撞使飞机颠簸振动，这对飞机的结构和飞行安全都 非常不利。为了减小地面对飞机的冲击力，抑制飞机在滑跑过程中的颠簸跳动，飞机上 常采用缓冲装置来减小冲击和振动载荷，吸收飞机着陆和滑跑时的撞击能量。 飞机起落架的缓冲装置由减震器和轮胎组成，除个别超轻型飞机没有减震器外，减 震器已是所有起落架所必备的构件。减震器的主要作用是在飞机着陆撞击地面时吸收冲 击能量，使传到机体结构上的冲击载荷不超过允许值。在吸能过程中，减震器通过来回 震荡，把吸收的能量变成热能耗散掉。 目前广泛采用的是油气式减震器，其主要特点是利用气体的压缩变形来吸收能量， 并利用液体高速流过小孔的摩擦来消耗能量。 飞机在刚开始着陆时撞击猛烈，减震器的压缩速度增加的很快，如果此时阻尼孔的 面积较小，油液的作用力就会突然增大，减震器所受的载荷也会突然增大，有可能超过 规定的最大值。紧接着由于撞击能量被大量吸收，活塞运动遇到很大阻力，减震器压缩 速度迅速减小，减震器所受的力也随之降下来。另外，当飞机以较大的速度在地面滑跑 时，如果遇到道面上的凸起，若油孔面积较小，飞机来不及向上运动，减震器的压缩速 度很大，同样也可能会出现载荷高峰。如果油孔面积较大，虽然能避免峰值载荷，但由 于油液的作用力较小，减震器的能量耗散会大大降低。因此。为了取得较好的减震效果， 目前大多数减震器的油孔面积在工作过程中是可以改变的。最常用的变油孔装置就是活 塞上加装一个变截面的油针，油针的面积下大上小，从而根据需要改变油孔面积。 磁流变液作为一种智能材料，其流变特性随着磁场的改变而改变。利用其制成的磁 3 中国民航大学硕士学位论文 流变减震器，在外加磁场的作用下，阻尼特性变化范围大，并且阻尼可以调节及容易控 制，配合一定的控制策略，能成为理想的半主动控制减震器。 随着磁流交液及磁流变减震器技术的发展，磁流变减震器在飞机上将有广阔的应用 前景。 1 3 本课题研究的内容 本课题研究内容是设计一种新型结构磁流变减震器，并对其进行试验，测试其性能。 磁流变减震器的性能主要取决于结构参数、磁路参数以及磁流变液的性能参数。在给定 磁流变液性能参数的基础上，如何设计一个优良的减震器，关键在于减震器的结构设计 和磁路设计。 ( 1 ) 结构设计 通过对磁流变减震器工作模式的分析，本文提出了基于剪切模式和流动模式共同作 用( 混合工作模式) 的一种多环形槽结构磁流变减震器。减震器的活塞上开有若干个矩形 齿状环形槽。在外加磁场的作用下，当磁流变液流经环形通道时，由于环形间隙的作用， 减震器阻尼力输出随磁流变液的粘度变化会产生较大的阻尼力变化。混合模式磁流变减 震器采用类似活塞缸式的结构，活塞与缸体内壁间存在环形间隙，按结构又可分为单出 杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构，活塞的移动引起流体通过环形间隙而流动，磁流变 液在剪切和流动的组合模式下工作，电磁线圈可绕在活塞上。飞机起落架不但要承受动 载荷，还要承受静载荷，所以采用单出杆结构。采用单出杆活塞缸结构，一方面需要考 虑体积补偿；另一方面活塞通过活塞杆在缸体内处于悬臂状态，稳定性差，因此设计了 导向盘来定位。 ( 2 ) 磁路设计 磁路设计是磁流变减震器设计中关键的一环，直接决定了磁流变减震器在隔振中所 起的作用。现阶段减震器在磁路设计过程中，通常采用忽略次要因素，建立简化模型， 从而简化计算。但由此会使计算结果产生一定的误差，特别是对于漏磁等一些重要因素 的忽略会使磁路设计的有效性大打折扣，这是目前磁路设计中存在很大的不足。 本文利用遵照铁磁性材料的非线性磁化曲线和动态磁路设计原理，在对磁流变减震 器的磁路特点进行理论分析的基础上，试图建立一套比较完善且有效的磁流变减震器磁 路设计方法，使得磁路能量损失小、结构合理、具有良好的工艺性、能满足磁流变减震 器所需的磁场强度要求。 ( 3 ) 实验验证 利用震动实验台，对设计的减震器进行实验。输入不同大小的振幅和频率，调节通 过线圈的电流以改变阻尼通道内的磁场强度，得到一系列阻尼力一位移的实验曲线和具 体数据。 4 中国民航大学硕士学位论文 在设计磁流变阻尼器件的过程中，要注意下列技术问题： ( 1 ) 磁流变阻尼器的阻尼力是不可控制的磁流变液零磁场粘度引起的粘滞阻尼力和 可控制的外加磁场引起的库仑阻尼力两部分组成。 ( 2 ) 阻尼器件的关键是正确建立所需要的阻尼力与结构参数和磁场参数的关系。 ( 3 ) 为了尽可能使外加磁场对磁流变效应有最大的影响，应使磁力线垂直于阻尼通道 中磁流变液的流动方向，并确保磁力线集中在阻尼通道中。 ( 4 ) 磁流变液和铁芯材料的磁导率随磁场强度的变化而变化，因此确定它们的工作点 很重要。 ( 5 ) 铁磁材料存在剩磁，引起阻尼器在零电流状态下阻尼力增加，减少了阻尼器阻尼 力的调节范围。在选择铁磁材料时，不但要考虑高磁导率和高磁饱和，还要考虑铁磁材 料的剩磁。 5 中国民航大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章磁流变液概述及其流变特性 磁流变液是当前智能材料研究的一个重要范畴。它最早是在1 9 4 8 年由美国国家标 准局的r a b m o w 发明的，并最早应用于离合器。巧合的是，几乎与w m s l o w 提出电流变 液是同时的。但由于当时还难以解决磁流变液的悬浮性、腐蚀性等问题，而且人们没有 认识到它的剪切应力的潜在性以及等问题，因此，发展一直缓慢。当时，人们的注意力 大多集中在电流变液上。但是，由于电流变液的屈服应力较低，需要高压工作，其安全 性和密封性是一大棘手的问题，因此，从上世纪9 0 年代，人们才重新认识到了磁流变 液的巨大价值和广阔的发展前景。 磁流变液的基本特征是：在外加磁场的作用下，其流变特性在毫秒级内发生变化， 由自由流动的液体变为半固体，呈现出可控的屈服应力，而且这种转变是可逆的，当磁 场消失后，又恢复为自由流动的液体。磁场对磁流变液的粘度、塑性和粘弹性等特征的 影响称为磁流变效应。 2 2 磁流变液的组成 在外加磁场的作用下，能产生磁流变效应的磁流变液由三部分组成口1 】：可在磁场中 产生极化的弥散质颗粒、温度效应较小的载液和防止粒子结团和沉降的表面活性剂。如 图2 - 1 所示。 卜弥散质颗粒2 一表面活性剂3 一载液 图2 - 1 磁流变液的组成 ( 1 ) 磁极化的弥散质颗粒 美国学者j o l l y 和o i n d e r d 2 2 1 的研究表明：磁流变液的最大剪切屈服应力与磁极化 粒子的磁饱和强度的平方成正比。因此，选择高磁饱和强度的磁极化粒子是制各优质磁 6 中田民航大学硕士学位论文 流变液的先决条件。同时还应满足： ( i ) 高磁导率高磁导率的磁极化粒子在较小的外加磁场作用下，便可以磁化成具有 较大磁能的粒子，使磁流变液产生较大的剪切屈服应力，以满足磁流变器件能耗低的要 求。 o i ) 低矫顽力低矫顽力使磁流变液具有良好的退磁能力，存在的剩磁较小，磁流变 液可以恢复到原来零场状态。 ( i i i ) 磁极化粒子的尺寸为了储存较大的磁能，要求磁极化粒子的尺寸不能太小， l e m a r i c 3 3 】的研究表明，在一定范围内，随着粒子尺寸的增加，磁流变液剪切屈服应力 显著增加，但超出该范围，磁流变液的剪切屈服应力与粒子尺寸无关，在制备磁流变液 时，一般采用球型磁极化粒子，其直径为l l o 微米。 ( i v ) 磁极化粒子应有较窄的磁滞回线，较小的内聚点等。 c v ) 磁极化粒子的形状p r o m i s l o w 和c r r a s t 3 4 1 的研究表明，在强磁场的作用下，椭 圆形磁极化粒子的流变效果最好，而在弱磁场作用下，长条形磁极化粒子的流变效果最 好。 目前，用于制备磁流变液的粒子有【3 1 l ：铁钴合金、铁镍合金、铁氧钡、铁氧、锶、 羰基铁等，用铁钴合金和铁镍合金制备的磁流变液比用羰基铁制备的磁流变液具有更好 的流变性能，但它的价格较为贵。 ( 2 ) 磁流变液的载液 载体液是磁流变液的重要组成部分，它应具有下列特性： ( i ) 低粘度，确保磁流变液具有零磁场粘度低的要求，使磁流变器件具有更大的调 节范围。 ( m 高沸点、低凝固点，这可以确保磁流变液有较宽的工作温度范围，在工作过程 中，使磁流变液的物理、化学性能稳定。 ( i i i ) 具有较高的密度，缩小载体液与磁极化粒子的密度差是解决磁流变液沉降问题 的最有效的方法。 ( i v ) 具备较高的“击穿磁场”。 ( v ) 化学稳定性好。 ( 、，i ) 无毒、无异味、价格低廉。 目前，在制备磁流变液的过程中，较为常用的载体液是硅油，它是有机硅聚合物中 的类重要产品，是二官能团和单官能团有机硅单体经水解缩聚而得到的无色、无味、无 毒、不易挥发、不易燃烧的透明油状液体。它具有良好的热稳定性和抗“磁击穿”特性。 另外，一些高沸点的合成油也可以作为磁流变液的载体液。除了硅油和合成油外，水和 优质煤油等性能稳定的液体也可作为磁流变液的载体液。 ( 3 ) 磁流变液的表面活性剂 磁流变液的载体液的密度一般为l 左右，而磁极化粒子的密度一般为7 8 ， 7 中国民航大学硕士学位论文 载体液与磁极化粒子的密度差是造成磁流变液沉降的主要原因【3 5 1 ；此外，由于磁极 化粒子的体积较小，具有较大的表面能，当混入载体液后，因界面吸附作用磁极化粒 子之间的分子力( 范德华力) 使颗粒相互吸引，引起颗粒聚集成团，为了降低沉降，解 决界面吸附作用，增加磁流变液稳定性必须加入表面活性剂。 根据组成和性能的不同，可将磁流变液分为如下4 种类型。冈 ( i ) 微米磁性颗粒一非磁性载液型磁流变液。【3 7 】 ( i i ) 纳米磁性颗粒一非磁性载液型磁流变液 8 1 ( i i i ) 非磁性颗粒一磁性载液型磁流变液 ( i v ) 磁性颗粒一磁性载液型磁流变液 美国l 0 r d 公司曾公开了6 种合金磁流变液的配方( 铁、镍、铁一钴合金) 和制备 方法。【3 研 2 3 磁流变液的流变特性 磁流变液在零磁场的条件下，颗粒在基液中的分布是杂乱无章的。如图2 2 所示。 强散质颗粒 载液 图2 - 2 无磁场条件下的颗粒分布 此时的磁流变液是可以自由流动的液体。 但在外加磁场的作用下，液体中被感应的弥散质颗粒产生偶极距，通过偶极子之间 的互相作用，形成与外加磁场方向平行的链状结构。如图2 3 所示。随着外加磁场的增 大，链状结构将进一步发生聚集，形成团簇状结构。这些链状结构限制了液体的运动， 使磁流变液的表观粘性系数增加。在强磁场作用下，磁流变液会变成类似“固体”的状 态，其流动性几乎消失。当磁流变液受到剪切时，外加磁场场强越大，使这些链状结构 剪切变形所需要的机械能也越大，所以磁流变液剪切应力也就越大。 中国民航大学硕士学位论文 鎏 磁场强度h 图2 - 3 有磁场条件下的颗粒分布 2 4 磁流变液的性能及应用 作为一种有广阔应用前景的智能材料，磁流变液应该具有以下性能： ( 1 ) 磁滞回线狭窄，矫顽力小，磁导率大，尤其是磁导率的初始值和极大值必须很 大； ( 2 ) 具有尽可能大的磁饱和强度，使尽可能多的“磁流”穿过悬浮液，感受磁场的 作用，从而提高其剪切屈服强度，至少应达到3 0 5 0k p a ； ( 3 ) 零场粘度低，在没有磁场的情况下，粘度不应超过l o p a s ； ( 4 ) 响应时间短，能跟上控制系统的节奏，一般需要l 2i n s ； ( 5 ) 能耗低，在电源产生磁场的作用下，产生的热量尽量不要影响到其性能； ( 6 ) 微粒分散均匀，稳定性高，长时间放置不致失效； ( 7 ) 适应温度范围广，一般在- - 4 0 2 0 0 时不影响其性能； ( 8 ) 价格低廉，无腐蚀，无污染。 上述性能有些已经基本能够达到，但是，目前的磁流变液由于受技术条件的限制， 有些性能还不能完全令人满意。例如，价格偏高。美国l o r d 公司的磁流变液虽然性能 比较稳定可靠，但每升约6 0 0 美元的价格，使它难以普遍应用；国产磁流变液虽然价格 较低，但性能还不够优良和稳定。另外，磁流变液的沉淀性也是影响其广泛应用的因素， 虽然一般的磁流变液在使用前经过充分振荡就能恢复其性能，但在实际应用中很难做 到。再有，在频率较高时性能有所降低，这也是磁流变液应该解决的问题。最后，由于 对计算磁流变液的数学模型还不完全准确，因此，如何在理论和实践上对其性能进行统 一，还是一个亟待解决的问题。 磁流变液的特性使它在许多领域已经得到应用，例如汽车、机械、地震防护、航空 航天、医疗保健、机器人等。目前，它已经应用于减振器、制动器、离合器、液压阀、 抛光装置、密封装置、人造膝关节、气动伺服控制装置、复合构件及柔性夹具等。其中， 磁流变减震器是目前国内外最广泛的一项应用。 9 中国民航大学硕士学位论文 第三章磁流变减震器原理与结构分析 3 1 磁流变减震器的工作模式 磁流变减震器是基于磁流变液的可控特性的一种新型减震器，其工作原理是在外加 磁场的作用下，磁流变液中随机分布的磁化颗粒的磁化运动方向大致平行于磁场方向， 磁化运动使微粒首尾相连，形成链状结构或复杂的网状结构，从而使磁流变液的流变特 性发生变化，进而使减震器阻尼通道两端的压力差发生变化，达到改变阻尼力的目的。 目前，直线运动的磁流变减震器主要是基于以下三种工作模式：流动模式、剪切模式和 挤压模式( 如图3 1 ) 。 串审斟 ( a ) 流动模式( b ) 剪切模式( c ) 挤压模式 图3 - l 磁流变减震器的三种工作模式 ( 1 ) 流动模式 在流动模式中( 如图3 - l ( a ) ) ，磁流变液位于两个相对静止的极板之间，由于装置中 的压力差而使磁流变液流动。该压力差可分为与磁场无关的粘性分量印。和由磁场引起 的屈服应力分量a p ，其大小近似为 印。：1 2 r - q l肇，：型 ( 3 1 ) g 。wg 式中，7 是磁流变液的零场粘度，q 为体积流速，上为极板长度，w 为极板宽度，g 为 极板间距，0 是施加的磁场强度日引起的动屈服应力。参数c 的最小值为2 ( 些ia p r ， 小于1 时) ，最大值为3 ( 当以a p 。大于1 0 0 时) 。流动模式的总压力差近似为印。和印， 之和。 ( 2 ) 剪切模式 l o 中国民航大学硕士学位论文 在剪切模式中( 如图3 - 1 ( b ) ) ，磁流变液位于两个相对运动的极板之间，产生剪切阻 力。该阻力可以分为粘性力分量只和由磁场引起的屈服力分量只，分别为 易= 警 e 可少 ( 3 2 ) 式中，v 为极板相对运动速度，其余符号意义同前。由剪切式装置产生的阻尼力为e 和c 之和。 通常将将剪切模式和流动模式融为一体就形成混合工作模式。 基于混合工作模式磁流变减震器的阻尼力为 f ：4 ( 堕掣+ c r y l ) + 坐+ z y l w ( 3 3 ) gw gg 式中，a 为活塞作用面积。 ( 3 ) 挤压模式 在挤压模式中( 如图3 - 1 ( c ) ) 磁流变液位于两个极板之间，一个极板固定，另一个 极板相当于它运动，产生挤压效果。 由于流动模式和剪切模式的可调范围宽，可控阻尼力大，以及结构简单等优点而应 用和研究最广。工作过程中，平行于磁流变液流动方向的磁力线分量对磁流变效应较小， 垂直于磁流变液流动方向的磁力线对磁流变效应作用较大。因此，采用剪切模式和流动 模式及混合模式的减震器，磁力线的方向最好垂直于阻尼通道内磁流变液的流动方向。 在设计磁流变减震器时应使阻尼通道中的磁流变液的流动方向垂直于磁场方向，以便充 分利用磁流变效应来改变减震器的阻尼力 3 9 , 4 0 | 。 3 2 磁流变减震器的分类 根据工作模式磁流变减震器可分为：流动模式的减震器、流动与剪切组合模式的减 震器、挤压模式的减震器、剪切模式的减震器；根据磁路形式可分为垂直磁场和水平磁 场两种；根据节流通道形状可分为环形节流通道和圆孔阻尼通道；根据活塞缸结构可分 为：单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构。下面就减震器的工作模式介绍现有的几种 磁流变减震器结构形式。 3 2 i 流动模式的减震器 这种减震器通常采用活塞缸结构，磁流变液的通路由位于活塞上的阻尼孔或单独的 旁路构成，磁流变液工作为流动模式，在磁流变液的通路上施加磁场。按结构可分为单 中国民航大学硕士学位论文 出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构。如图3 2 为l 0 r d 公司开发的建筑结构抗振的磁流 变减振器构造详图【3 7 1 。 该减振器磁流变液的通路和相关的磁路都包含在活塞内，电流通过中空活塞杆中的 导线送入电磁铁。将这种减振器安装在座椅减振系统中，适当调节反馈控制系统的参数， 可以消除共振并保持良好的高频隔离性能。 l2 3 i 阻尼通道2 线圈3 活塞4 磁流变液5 补偿器 图3 - 2 磁流变液直动式减振器 德国s a a r l a n d 大学的研究人员【4 1 1 基于压力驱动模式磁流变液减振器设计了一个长 行程的磁流变液减振器，见图3 - 3 。为了减少磁流变液减振器的功耗，研究人员在磁路中 安装了永磁体，电磁线圈所产生磁场用于增加或减少永磁体的磁场强度。 l 23 45 5 1 阻尼孔2 线圈3 活塞4 磁导体 5 通道6 磁流变液 图3 3 长行程磁流变减振器 l 2 34 1 阻尼通道2 缸体3 磁芯4 线圈 图3 4 旁路式磁流变液减振器 1 2 中国民航大学硕士学位论文 如图3 - 4 ，这是一种旁路式的磁流变液减振器。由油缸、活塞及旁路环形通道组成。 旁路环形通道由圆筒及同轴安装的铁芯构成，并在铁芯上绕上线圈，通电后形成磁场， 从而产生磁流变效应。该减振器的特点是油缸的技术参数可根据所需阻力的大小来设 计，因而可得到很大的阻尼力【4 2 】。缺点是体积较大，响应较慢，结构较复杂，只适用于 较大型结构的减振。阻尼通道是旁路的环形间隙。目前这种减振器比较少用。 3 2 2 流动与剪切组合模式的减震器 这种减震器也采用类似活塞缸式的结构，但活塞与缸体内壁间存在环形间隙，按结 构也可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构，如图3 5 所示【4 3 】。活塞的移动引起 流体通过环形间隙而流动。磁流变液在剪切和流动的组合模式下工作。电磁线圈可绕在 活塞上或缸体外侧。 【町西) c a ) 单出杆结构c b ) 双出杆结构 1 缸体2 缝隙3 活塞4 磁流变液 图3 - 5 流动与剪切组合模式的减震器简图 采用单出杆活塞缸结构，一方面需要考虑体积补偿；另一方面活塞通过活塞杆在缸 体内处于悬臂状态，稳定性差，因而需设计良好的活塞杆支撑结构，并有限制外载荷作 用方向的措施。 采用双出杆活塞缸结构，一方面可省去活塞杆体积补偿；另一方面活塞通过活塞杆 支撑在缸体两端，活塞的稳定性好，可用于制造大阻尼力的减震器。 3 2 3 挤压模式的减震器 l o r d 公司的小型磁流变液减振器是一种挤压式减振器，如图3 - 6 所示州，可用于各 种工业场合的实时控制和主动控制，也可用于锁紧装置。在减振器的外面装上弹簧元件 便可制成可调阻尼的发动机机座，为抑制发动机引起的机械设备振动提供了新的途径。 该减振器的活塞为圆盘，电磁线圈绕制在外筒上，通过内腔阻尼板的移动来产生阻尼力， 其自由端有多个运动自由度。由于行程较小，可用有弹性的橡胶元件进行密封，不需要 考虑动力密封和滑动密封。由于减振器被全部密封因而可采用水基磁流变体，这样便解 决了油基( 碳氢化合物) 磁流变体与橡胶的化学作用。由于水基磁流变体有更多的稳定剂 和表面活化剂可选择。但是这种结构的减振器行程受到限制( 该减振器的行程为3 r a m ) 。 中国民航大学硕士学位论文 笸磷j 5 1 a n 1 缸体2 阻尼通道3 线圈4 磁流变液 图3 - 6 微型磁流变液减振器 3 2 4 剪切模式的减震器 s h t a r k m a n ( 4 5 研制了使用磁流变液的旋转式减振器( 吸震器) ，可应用于汽车悬架阻 尼主动控制系统。该系统由阻尼器、控制器和传感器等组成。阻尼器主要由壳体、电磁 铁、轴、阻尼板和磁流变液等组成。当轴发生扭振时，与轴固结的阻尼板在磁流变液中 往复剪切，从而消耗振动能。将该系统安装于汽车底盘，经道路测试，发现汽车车身振 动大大减小，舒适性( 如颠簸、俯仰、横滚) 有相当程度的提高。 m a r a t h e 4 6 1 探讨了磁流变液减振器应用于直升机旋翼系统稳定性控制的可行性。在 某种特定状况( 如空气与地面共振) 下旋翼系统需要较大阻尼。磁流变液减振器阻尼力 的可控性使它成为代替传统的旋翼系统被动式减振器的引人注目的候选对象。m a r a t h e 将剪切模式磁流变液减振器的流体模型与旋翼的空气力学模型结合在一个系统模型，用 开关控制效果，发现磁流变减振器在地面共振稳定性控制方面用开关控制方案能提供充 足的阻尼；而在向前飞行时如果空气动力阻尼足够，可使用开关控制；如果需要附加的 阻尼，就需要使用线性反馈控制。 3 3 磁流变减震器的阻尼力分析和数学模型 描述磁流变减震器的力学模型主要有非线形b i n g h a m ( 宾汉) 塑性模型、非线形双粘 性模型、非线形滞回双粘性模型、b o u c w e n 模型、改进的b o u c w e n 模型、非线形粘弹 性一塑性模型等【2 卯。前三种模型的力一速度关系曲线为分段连续的，而后三种模型的力 一速度关系曲线为分段光滑的。下面简单的介绍前4 种模型。 3 3 1 非线性 ) i n g h a m ( 宾汉) 塑性模型 ( 1 ) 非线形b i n g h a m 塑性模型 在线性减振器的模型上加上屈服力，就可得到非线性b i n g h a m ( 宾汉) 塑性模型，如 图3 7 所示。该模型形式简单、概念清晰、易于理解，可以描述减振器的力一位移关系 和耗能性能，在编程时易于程序化，但该模型假定屈服前减振器为刚性，因而忽略了减 振器在屈服前的粘弹性性能，从而不能描述磁流变液减振器在低速时力与速度之间的非 1 4 中国民航大学硕士学位论文 线性性能。f 4 7 】 图3 - 7b i i l i ；i l 模型计算简图 若用a p * 0 x 分别表示活塞的有效截面积和速度，则体积流速q = a v x 由式( 3 1 ) 和乃= ( 印，+ 肇，) 爿，令c ，= 兰芋争4 ，再由。；t c t y 三p 以，得阻尼力乃为 乃= c r o x + es g n ( x ) ( 3 4 ) 式中，三。为活塞表面上磁力线垂直穿过区域的长度，g 为环状间隙得间距， g ：垡三盟，d l 和d 2 分别为活塞直径和缸简内径，w 为等效极板宽度， w = 万( d l 十d 2 ) 2 ，c ，为磁场引起的屈服力 由式( 3 4 ) 可以看出，阻尼力由两部分组成，一部分是粘性阻尼力，另一部分是库 仑阻尼力只s g n ( x ) 。该模型假定在屈服前是刚性的，且不流动。因此，当作用于阻尼 器的外力，v ) c p 0 。阻尼力一速度关系如图3 - 8 所示。 r ! 鹿厅 力嘞 鼬 0 i 纠“ 。厅 ， 图3 3 非线性双粘性模型 中国民航大学硕士学位论文 3 3 3 非线性滞回双粘性模型 实验研究表明，减振器的阻尼力一速度关系呈现明显的屈服前滞后现象，因而在双 粘性模型的基础上提出了一种具有4 个参数的非线滞回形双粘性模型。这4 个参数是屈 服前的阻尼系数c 0 、屈服后的阻尼系数c p o 、屈服力e 和阻尼力为零时的速度v o 。阻 尼力一速度关系如图3 - 9 所示。 3 3 4 b o u e w e n 模型 r j 劳。 f ， * 绢 互 一r j - p t 图3 - 9 非线性滞回双粘性模型 非线形滞回双粘性模型虽然反映了阻尼力一速度关系的屈服前滞后现象，但它是不 光滑的分段曲线，与实验观察到的较为光滑的曲线仍有一定的差距。于是，提出了一种 具有光滑过渡曲线的模型来拟和实验结果，b o u c - w e n 模型就是其中的一种。它易于进 行数值计算、通用性强、能反映各种滞回曲线并已经广泛应用于滞回系统建模。阻尼力 一速度关系如图3 - 1 0 所示。 n 。 l 7厂一 一 乙 ； 图3 1 0 b o u e w e n 模型 该模型是由s p e n c e r 于1 9 9 7 年提出的，模型的计算简图如图3 一1 1 所示。该模型能 够描述磁流变减振器在低速时的非线性性能、力一位移关系和耗能性能。【4 3 】 图3 1 1b o u c w e n 模型计算简图 1 6 中国民航大学硕士学位论文 其计算式为 f d = c 砷x + a 8 z 5 其中，渐进变量z 由下式给出： z = - - y x l l z i l z i 川一肛i z p 4 - a x ( 3 6 ) 通过调节模型的参数，卢和a ，可以控制回程曲线的线性度以及从屈服前到屈服 后转变阶段的光滑度。是控制系统和磁流变液决定的系数，取= e z o ，式中z o 为z - x 关系曲线上回程段与z 轴的交点。如图3 - 1 0 所示。因此式( 3 5 ) 又可以写成 乃= c ，x - 4 - c 吾 ( 3 7 ) - o 比较式( 3 4 ) 和式( 3 7 ) 可以发现，b o u e - w e n 模型相当于将b i i l g h a m 塑性模型中的符 号函数替换为有光滑过渡曲线的滞回形状函数。 3 4 磁流变减震器的应用 磁流变减震器是一种阻尼可控器件，具有调节范围宽、耗能低、响应速度快、结构 简单、阻尼力大、容易控制等特点，在许多领域具有广阔的应用前景。它可以替代现有 机车、汽车等交通工具上的液压减振器。由于磁流变液在很小的磁场下( 可由电磁铁和 永磁铁产生) 就能获得很高的屈服剪应力，这使得磁流变液在交通运输、建筑、机器人 工业、飞行器、机加工行业和精密加工、机械密封、机械制造等领域得到应用。当前， 国内外对