隨著我國載人航天事業(yè)逐步進入空間站建造階段,太陽能帆板、天線、柔性機械臂和熱輻射器等柔性外伸結(jié)構(gòu)的相關(guān)振動問題日益突出。而鐵磁流體動力吸振器由于結(jié)構(gòu)簡單、可靠,壽命長,對慣性力敏感,不消耗電能,而且不存在金屬彈性元件的疲勞問題,非常適合用于解決此類振動問題。為了克服傳統(tǒng)鐵磁流體動力吸振器由磁場或磁性材料的干擾而引起的失效問題,本文根據(jù)鐵磁流體的第一類懸浮特性,設(shè)計了一種新型的鐵磁流體動力吸振器,并從理論、仿真和實驗三個方面對該鐵磁流體動力吸振器進行了如下研究:(1)建立了鐵磁流體動力吸振器的動力學(xué)模型,根據(jù)主系統(tǒng)的阻尼系數(shù),依據(jù)最優(yōu)公式,確定了慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量為0.208kg、彈性元件的最優(yōu)剛度系數(shù)為9.41N/m和阻尼元件的最優(yōu)阻尼系數(shù)為0.517kg/s。(2)完成了鐵磁流體動力吸振器中各關(guān)鍵部件及總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計,并得到了各結(jié)構(gòu)尺寸所需滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系。在設(shè)計過程中,給出了確保慣性質(zhì)量塊達到穩(wěn)定懸浮的必要條件,推導(dǎo)了永磁體在安裝導(dǎo)磁罩后的磁場方程,利用COMSOL軟件的靜磁場仿真對永磁體和導(dǎo)磁罩的尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化,并通過實驗對仿真結(jié)果的合理性進行了驗證。(3)針對地面和太空兩種環(huán)境,建立了慣性質(zhì)量塊在軸向和徑向所受到的懸浮力的力學(xué)模型。該力學(xué)模型包含了鐵磁流體注入量、磁場強度、慣性質(zhì)量塊和殼體的幾何參數(shù)的影響。根據(jù)該力學(xué)模型,對慣性質(zhì)量塊在地面和太空兩種環(huán)境下的力平衡和力矩平衡進行了分析,得到了影響慣性質(zhì)量塊的懸浮穩(wěn)定性的因素,探討了慣性質(zhì)量塊在地面環(huán)境下的懸浮狀態(tài)和懸浮過程。(4)通過搭建實驗臺,對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鐵磁流體動力吸振器中慣性質(zhì)量塊在軸向和徑向的懸浮力進行了測量,得到了在地面和太空兩種環(huán)境下徑向懸浮力滿足最優(yōu)剛度時鐵磁流體動力吸振器對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對徑向懸浮力的線性度進行了考察,發(fā)現(xiàn)在地面環(huán)境下徑向懸浮力的線性度最大達到了 17.84%,而在太空環(huán)境下,徑向懸浮力的線性度最大僅為4.49%。(5)利用COMSOL軟件對鐵磁流體動力吸振器中鐵磁流體及磁場的分布進行了仿真,仿真結(jié)果顯示,鐵磁流體的自由界面與等磁場線之間具有很高的吻合度,該結(jié)果說明重力和表面張力對鐵磁流體自由界面的影響可以忽略不計。(6)對鐵磁流體的磁粘特性進行了分析,通過實驗對所選用的鐵磁流體在磁場與渦量垂直情況下的粘度進行了測量。推導(dǎo)了鐵磁流體的流場函數(shù),從而求出了慣性質(zhì)量塊所受到的粘性剪切力。推導(dǎo)了慣性質(zhì)量塊在階躍力響應(yīng)下的傳遞函數(shù),并以此為依據(jù)搭建了實驗臺,對鐵磁流體動力吸振器在不同環(huán)境和參數(shù)下的阻尼系數(shù)進行了測量,其中與最優(yōu)阻尼系數(shù)最接近的值為0.54kg/s。(7)利用銅板的自由振動,對鐵磁流體動力吸振器在不同初始振幅擾動下的減振特性進行了研究。在地面環(huán)境下,對于所選用的鐵磁流體動力吸振器,其理論計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果的符合度較高,且振動衰減的時間百分比的測量值在94.7%以上,最高可達97.73%。而對于太空環(huán)境下所選用的鐵磁流體動力吸振器,其振動衰減的時間百分比的理論計算值在98.75%以上,最高可達99.46%。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V414
【部分圖文】：

１．２．１鐵磁流體簡介??鐵磁流體是一種由納米級的磁性固體顆粒通過表面活性劑包裹后，穩(wěn)定分散??于合適的基載液中所形成的一種膠體溶液［２４＞＾，其構(gòu)成如圖１－１所示。這種膠體溶??液既具有液體的流動性，又具有普通磁性材料的磁性［２６１。其中，磁性固體顆粒的??種類、大小、形狀和含量決定了鐵磁流體的磁學(xué)性能ｍ＊２８］。目前，用于制備鐵磁??流體的磁性固體顆粒種類有?Ｆｅ３０４、Ｆｅ２０３、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ２〇４??和ＭｎＦｅ２０４等［２９＿３２］。這些磁性固體顆粒在基載液中做無序的Ｂｒｏｗｎ運動，使其即??使在重力場、電場、磁場中也能穩(wěn)定地懸浮在基載液中，不發(fā)生凝聚和沉淀［３３］。??而基載液和表面活性劑的物理及化學(xué)性質(zhì)則更大程度上決定了鐵磁流體的流體性?＿??能，如揮發(fā)率、粘度、穩(wěn)定性、耐溫性和抗輻射性等［３４］�；d液的選擇通常根據(jù)??外部環(huán)境要求來確定，可以是水、酯及二酯、碳氫化合物、氟碳化合物等［３５］。在??２??

＾極靴細體?ＬＪ??圖１－４兩種用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的鐵磁流體粘滯阻尼器示意圖［５９］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ?ｖｉｓｃｏｕｓ?ｄａｍｐｅｒｓ?ｕｓｅｄ?ｉｎ?ｒｏｔａｒｙ?ｍａｃｈｉｎｅ［５９］??在此后的研究中，一些學(xué)者將鐵磁流體直接注入到電機內(nèi)部［６Ｑ－６２］，并通過電??機內(nèi)部的磁場將鐵磁流體吸附在定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙內(nèi)，從而抑制加速度、振??動和振蕩造成的沖擊力，如圖１－５所示［６３］。如果電機內(nèi)部空間受限、轉(zhuǎn)軸導(dǎo)磁性??不高或者電機內(nèi)部不具有良好的磁場環(huán)境時，可以在電機轉(zhuǎn)軸末端外接一個鐵磁??流體粘性阻尼器［６４＿６６］。這種鐵磁流體粘性阻尼器將鐵磁流體注入在由永磁體與導(dǎo)??磁性殼體所形成的磁回路間隙內(nèi)，形成一個阻尼環(huán)。永磁體安裝在慣性質(zhì)量塊上??并與電機轉(zhuǎn)軸連接。若慣性質(zhì)量塊的體積或長度過大，則在阻尼器內(nèi)安裝軸承進??行支撐，如圖１－６所示［６７，６８］。如果對精度有極高的要求，也可以將上述兩種方式組??合使用。相比于其他粘性液體

鐵磁流體、４殼??＿＾麵二，??圖１－６安裝在電機轉(zhuǎn)軸末端的鐵磁流體粘滯阻尼器％６８］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－６?Ｔｈｅ?ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ?ｖｉｓｃｏｕｓ?ｄａｍｐｅｒ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ａｔ?ｔｈｅ?ｅｎｄ?ｏｆ?ａ?ｍｏｔｏｒ?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ｓｈａｆｔＩ６７，６８］??基于鐵磁流體磁化特性的振動控制技術(shù)也可以用于改善電磁閥的性能，典型??結(jié)構(gòu)如圖１－７所示％。??永磁體鐵磁流體彈簧活塞?閥腔??１?＇?＼?．?ｉ??導(dǎo)殿殼線圈填料密封?＾?＾７Ｋ??圖１－７應(yīng)用鐵磁流體的電磁閥示意圖ｔ７４］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ｓｏｌｅｎｏｉｄ?ｖａｌｖｅ?ｗｉｔｈ?ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ［７４］??當(dāng)電磁閥內(nèi)部的線圈通入電流時，在鐵芯和活塞之間將產(chǎn)生磁場力，從而吸??引活塞朝著鐵芯移動。而當(dāng)線圈內(nèi)部電流中斷時，套在活塞上的彈簧將使活塞遠??離鐵芯。因此隨著線圈內(nèi)部電流方向的改變，活塞將在閥體內(nèi)部做往復(fù)運動，使??電磁閥完成換向或開合，從而達到控制流體流動的目的�；钊丸F芯之間的磁場??力會隨著兩者間距的減小而急劇增加，在兩者完全接觸的瞬間，沖擊力達到最大??值。該沖擊力所產(chǎn)生的噪音和振動如果發(fā)生在透析儀、呼吸機、血壓監(jiān)測器等醫(yī)??療設(shè)備中將嚴重影響病人的舒適度。如果在電磁閥的鐵芯處加入鐵磁流體
【參考文獻】

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本文編號：2879041