碰撞沖擊是一種常見的現(xiàn)象,因其具有偶發(fā)、不可預(yù)見及沖擊能量大的特點而經(jīng)常造成嚴(yán)重的人員傷亡以及重大的財產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的沖擊隔離器一般通過金屬變形或者摩擦力、或是液壓油消耗沖擊能量的方式進(jìn)行能量耗散,這些類型的緩沖裝置只是針對特定的沖擊工況具有較好的緩沖效果,當(dāng)沖擊工況偏離了設(shè)定工況時,其緩沖能力將會大幅降低。為此,國內(nèi)外的專家學(xué)者都在致力于研究一種能應(yīng)對不同工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的緩沖裝置,而磁流變液憑借其獨有的對外加磁場做出瞬間連續(xù)無級可逆變化的特性和優(yōu)點,是一種非常理想的替代傳統(tǒng)被動緩沖材料的新型智能緩沖材料。以國家自然科學(xué)基金項目和重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目為背景,以磁流變膠泥為磁控介質(zhì),論文針對柱形波紋壓潰與徑向流動節(jié)流共同作用的磁流變緩沖裝置(magnetorheological energy absorber,MREA)的特性進(jìn)行增效研究。研究了柱形波紋壓潰件在沖擊載荷下的動態(tài)力學(xué)特性及防失穩(wěn)特性。提出了中心泄流小孔與徑向漸變間隙的流道結(jié)構(gòu),以此來降低MR閥流道內(nèi)磁流變膠泥流速過高導(dǎo)致MREA可控性變差問題。研究了徑向漸變間隙流道與等間距間隙流道串聯(lián)的MREA磁路設(shè)計方法,并分析了磁流變膠泥在工作了流道中的流動特性,在此基礎(chǔ)上得出緩沖力的計算方法。設(shè)計并制作了中心泄流小孔與徑向漸變間隙流動通道結(jié)構(gòu)的MREA,開展了落錘沖擊試驗,并與理論預(yù)測進(jìn)行了比較。其具體研究內(nèi)容如下:(1)磁流變膠泥制備及其流變特性。利用濃度移動速度理論、顆粒質(zhì)量流量理論及場致偶極子理論從懸浮穩(wěn)定性、磁控范圍及顆粒體積分?jǐn)?shù)與載體液黏度三個方面分析并制備了2種磁流變膠泥樣品。通過商用流變儀(MCR-301)對樣品進(jìn)行了流變特性測試,研究了磁場對磁流變膠泥流變學(xué)特性的影響。對比分析了常用本構(gòu)模型用于描述磁流變膠泥流變特性的優(yōu)劣,選擇Power-Law模型作為描述磁流變膠泥的流變學(xué)特性,并利用樣品測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的參數(shù)辨識。進(jìn)一步利用HH-15型振動樣品磁場計測試了磁流變膠泥的磁化特性。(2)MREA總體設(shè)計。理想的MREA動態(tài)緩沖力-位移曲線具有近似“平臺效應(yīng)”特性,而傳統(tǒng)MREA動態(tài)緩沖力-位移曲線存在尖峰;另外,工作流道中的磁控介質(zhì)流速過高也降低了MREA可控性。由此提出面向一次性碰撞緩沖工況的MREA增效特性需求,即提高實現(xiàn)緩沖力平臺效應(yīng)的同時需要提高M(jìn)REA的可控性。介紹了磁控介質(zhì)在阻尼通道的三種不同工作模式,并依據(jù)力學(xué)特性需求選擇流動模式作為磁流變膠泥在MREA中的工作模式,進(jìn)而提出采用柱形波紋壓潰元件串接磁流變節(jié)流單元的MREA總體設(shè)計方案并闡述了其工作原理。分析了柱形波紋壓潰件在沖擊載荷下的動力學(xué)特性;針對磁控介質(zhì)在流道流速過高而引起可控性惡化,提出增加中心泄流小孔與徑向漸變間隙流道結(jié)構(gòu)形式的磁流變節(jié)流單元;依據(jù)外部參數(shù)如壓潰量、最大沖擊載荷等的設(shè)計需求,確定了MREA結(jié)構(gòu)尺寸參量,并集成設(shè)計了其勵磁線圈、密封及磁控介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)。(3)MREA磁路模型建立及參數(shù)確定。利用動態(tài)磁路理論結(jié)合有限元方法建立了漸變間隙流道結(jié)構(gòu)MREA的磁路分析模型。依據(jù)面向?qū)ο罂傮w方案,分別確定了MREA的電磁磁路構(gòu)造與參數(shù),進(jìn)而建立了工作流道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度與激勵電流之間的函數(shù)關(guān)系。利用商用仿真軟件ANSYS分析了激勵電流、徑向間隙坡度、徑向間隙高度等參數(shù)對工作間隙磁場強(qiáng)度的影響,并通過對填充磁流變膠泥的MR閥工作間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測,與理論結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。(4)磁流變膠泥在流道中的流動特性分析與動態(tài)緩沖力計算�；赑ower-Law分析了MREA總緩沖力與總體壓降壓降及流量的關(guān)系。鑒于增加中心泄流小孔與徑向流道后的MREA流道的復(fù)雜性,從磁性流道和非磁性流道的角度,分別分析了磁流變膠泥在波紋壓潰元件、MR閥出入口、環(huán)形流道及中心泄流小孔中的流動特性,以及磁流變膠泥在徑向漸變間隙流道與徑向等間距流道中的流動特性,并利用流體力學(xué)相關(guān)理論建立了磁流變膠泥在漸變間隙流道與徑向等間距間隙流道內(nèi)流動的連續(xù)性方程及控制微分方程。推導(dǎo)了磁流變膠泥的徑向速度分布表達(dá)式。通過引入徑向流速比、小損耗比、動態(tài)范圍比、平臺效應(yīng)角比五個參數(shù)來分析中心泄流小孔對MREA特性的影響;以徑向流道坡度為變量,建立了具有普遍特性的磁流變膠泥徑向流動流變學(xué)模型,進(jìn)一步分析了坡度值對MREA特性的影響。詳細(xì)分析了局部損耗耗因素在MREA流道內(nèi)分布,利用平均流體速度建立了MR閥內(nèi)局部損耗產(chǎn)生的壓降。(5)MREA制作與落錘沖擊試驗。依據(jù)理論分析,設(shè)計并制作了三類流道結(jié)構(gòu)的MREA樣機(jī)各一套,搭建了模擬一次性碰撞緩沖工況的落錘沖擊試驗測試平臺,采用壓電式力傳感器及激光位移傳感器構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對每一種MREA樣機(jī)進(jìn)行12種不同工況測試。試驗結(jié)果與理論進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明MREA流變學(xué)建模與試驗結(jié)果基本吻合,驗證了MREA流變學(xué)建模的合理性,并分析了誤差的主要來源。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB381;TH703
【部分圖文】：

1 緒 論1.1 課題研究背景隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)由世界工業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國的跨越式轉(zhuǎn)變，橋梁、船舶、工程機(jī)械、高鐵機(jī)車車輛、汽車被動安全、航空航天設(shè)備軍事裝備等工程產(chǎn)品正在向智能化、高速化、規(guī)模化、集成化方向發(fā)展。然而，高速發(fā)展的各行各業(yè)的同時，振動和沖擊破壞問題卻日益嚴(yán)重，引起設(shè)備損壞、壽命縮短、事故頻頻發(fā)生，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重性的人身傷亡事件[1,2]。在眾多的沖擊破壞中，尤其以高鐵車廂之間碰撞、汽車碰撞、船舶與橋墩發(fā)生的碰撞，墜落碰撞等的沖擊破壞力度大、破壞能力強(qiáng)，如圖 1.1 所示。這類沖擊有一個共同的特點就是時間短、工況為一次性碰撞（相對于緩沖設(shè)備為一次性機(jī)械而言[3]）。因此，世界各個國家的科學(xué)家及工程師們都在一直不斷努力的探尋各種緩沖技術(shù)來避免或者減小這種沖擊破壞帶來的傷害。使用緩沖裝置來吸收沖擊時的能量成為工程界研究的一個重要課題。

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文一類磁流變液材料（以下統(tǒng)一稱之為“磁流變流體”）。當(dāng)然，三由非導(dǎo)磁性基體、導(dǎo)磁性顆粒、以及用于改善某些性能的添加特性需求組合而成，表現(xiàn)為一種特殊的物理變化過程特性（即以 MRF 為例，圖 1.3 展示了這種物理特性機(jī)理[61]。(a) 0, 0aγ = H=(b) 0bγ =

圖 1.4 (a) 電子顯微鏡下的磁鏈結(jié)構(gòu), (b)宏觀角度下的磁鏈結(jié)構(gòu)Fig. 1.4 Magnetic chain/column structures of MRF by (a) SEM and (b) in a macroscopic vie高屈服強(qiáng)度與懸浮穩(wěn)定特性是 MRF 的兩項最重要參數(shù)，而 MRF 作為一系其性能主要取決于其中的磁性顆粒、載體液與添加劑。磁性顆粒自身、結(jié)構(gòu)特征及磁性顆粒間聚集狀態(tài)直接決定了 MRF 的磁流變效應(yīng)，所選顆粒通常為剩磁較小的軟磁性顆粒并具備高飽和磁化強(qiáng)度的特征。一般磁顆粒主要有 Fe3O4、Fe3N、Fe、Co、Ni 等微粒及其合金[64-66]，球形顆常為 1～10μm。目前，羰基鐵粉是制備 MRF 時使用最廣泛的磁性顆粒磁化強(qiáng)度達(dá) 2.1 T[67]，對于提高 MRF 的力學(xué)性能非常有利。MRF 載體液進(jìn)磁性顆粒的懸浮穩(wěn)定性的特性要求，此外，還需具有較低的零磁場剪較大范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性以及對環(huán)境友好等特性，最常用的載體液為硅油，除此之外還有聚醚、聚酯與合成烴類等[68]。添加劑在 MRF 中主要起顆粒的懸浮穩(wěn)定性和再分散性的作用，此外，觸變劑、表面活性劑等添加對抗氧化、潤滑等起到促進(jìn)作用。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2887063