碰撞沖擊是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象,因其具有偶發(fā)、不可預(yù)見(jiàn)及沖擊能量大的特點(diǎn)而經(jīng)常造成嚴(yán)重的人員傷亡以及重大的財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的沖擊隔離器一般通過(guò)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(lèi)型的緩沖裝置只是針對(duì)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(shí),其緩沖能力將會(huì)大幅降低。為此,國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者都在致力于研究一種能應(yīng)對(duì)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(dú)有的對(duì)外加磁場(chǎng)做出瞬間連續(xù)無(wú)級(jí)可逆變化的特性和優(yōu)點(diǎn),是一種非常理想的替代傳統(tǒng)被動(dòng)緩沖材料的新型智能緩沖材料。以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目為背景,以磁流變膠泥為磁控介質(zhì),論文針對(duì)柱形波紋壓潰與徑向流動(dòng)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(dòng)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(lái)降低MR閥流道內(nèi)磁流變膠泥流速過(guò)高導(dǎo)致MREA可控性變差問(wèn)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(jì)方法,并分析了磁流變膠泥在工作了流道中的流動(dòng)特性,在此基礎(chǔ)上得出緩沖力的計(jì)算方法。設(shè)計(jì)并制作了中心泄流小孔與徑向漸變間隙流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)的MREA,開(kāi)展了落錘沖擊試驗(yàn),并與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。其具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)磁流變膠泥制備及其流變特性。利用濃度移動(dòng)速度理論、顆粒質(zhì)量流量理論及場(chǎng)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(gè)方面分析并制備了2種磁流變膠泥樣品。通過(guò)商用流變儀(MCR-301)對(duì)樣品進(jìn)行了流變特性測(cè)試,研究了磁場(chǎng)對(duì)磁流變膠泥流變學(xué)特性的影響。對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的參數(shù)辨識(shí)。進(jìn)一步利用HH-15型振動(dòng)樣品磁場(chǎng)計(jì)測(cè)試了磁流變膠泥的磁化特性。(2)MREA總體設(shè)計(jì)。理想的MREA動(dòng)態(tài)緩沖力-位移曲線具有近似“平臺(tái)效應(yīng)”特性,而傳統(tǒng)MREA動(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)緩沖力平臺(tái)效應(yīng)的同時(shí)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(dòng)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(jì)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(dòng)力學(xué)特性;針對(duì)磁控介質(zhì)在流道流速過(guò)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(jì)需求,確定了MREA結(jié)構(gòu)尺寸參量,并集成設(shè)計(jì)了其勵(lì)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(dòng)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(lì)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(lì)電流、徑向間隙坡度、徑向間隙高度等參數(shù)對(duì)工作間隙磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,并通過(guò)對(duì)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(cè),與理論結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。(4)磁流變膠泥在流道中的流動(dòng)特性分析與動(dòng)態(tài)緩沖力計(jì)算。基于Power-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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guò)引入徑向流速比、小損耗比、動(dòng)態(tài)范圍比、平臺(tái)效應(yīng)角比五個(gè)參數(shù)來(lái)分析中心泄流小孔對(duì)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(dòng)流變學(xué)模型,進(jìn)一步分析了坡度值對(duì)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(yàn)。依據(jù)理論分析,設(shè)計(jì)并制作了三類(lèi)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(yàn)測(cè)試平臺(tái),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(duì)每一種MREA樣機(jī)進(jìn)行12種不同工況測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果與理論進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明MREA流變學(xué)建模與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了MREA流變學(xué)建模的合理性,并分析了誤差的主要來(lái)源。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB381;TH703
【部分圖文】：

1 緒 論1.1 課題研究背景隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)由世界工業(yè)大國(guó)向工業(yè)強(qiáng)國(guó)的跨越式轉(zhuǎn)變，橋梁、船舶、工程機(jī)械、高鐵機(jī)車(chē)車(chē)輛、汽車(chē)被動(dòng)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)�；�、集成化方向發(fā)展。然而，高速發(fā)展的各行各業(yè)的同時(shí)，振動(dòng)和沖擊破壞問(wèn)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(chē)廂之間碰撞、汽車(chē)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(lèi)沖擊有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是時(shí)間短、工況為一次性碰撞（相對(duì)于緩沖設(shè)備為一次性機(jī)械而言[3]）。因此，世界各個(gè)國(guó)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(lái)避免或者減小這種沖擊破壞帶來(lái)的傷害。使用緩沖裝置來(lái)吸收沖擊時(shí)的能量成為工程界研究的一個(gè)重要課題。

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文一類(lèi)磁流變液材料（以下統(tǒng)一稱(chēng)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(guò)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(xiàng)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(shí)使用最廣泛的磁性顆粒磁化強(qiáng)度達(dá) 2.1 T[67]，對(duì)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(chǎng)剪較大范圍內(nèi)的溫度穩(wěn)定性以及對(duì)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(lèi)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(duì)抗氧化、潤(rùn)滑等起到促進(jìn)作用。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2887063