基于铁磁流体第一类悬浮特性的新型动力吸振器研究

发布时间：2020-11-11 09:40

　　 随着我国载人航天事业逐步进入空间站建造阶段,太阳能帆板、天线、柔性机械臂和热辐射器等柔性外伸结构的相关振动问题日益突出。而铁磁流体动力吸振器由于结构简单、可靠,寿命长,对惯性力敏感,不消耗电能,而且不存在金属弹性元件的疲劳问题,非常适合用于解决此类振动问题。为了克服传统铁磁流体动力吸振器由磁场或磁性材料的干扰而引起的失效问题,本文根据铁磁流体的第一类悬浮特性,设计了一种新型的铁磁流体动力吸振器,并从理论、仿真和实验三个方面对该铁磁流体动力吸振器进行了如下研究:(1)建立了铁磁流体动力吸振器的动力学模型,根据主系统的阻尼系数,依据最优公式,确定了惯性质量块的质量为0.208kg、弹性元件的最优刚度系数为9.41N/m和阻尼元件的最优阻尼系数为0.517kg/s。(2)完成了铁磁流体动力吸振器中各关键部件及总体结构的设计,并得到了各结构尺寸所需满足的数学关系。在设计过程中,给出了确保惯性质量块达到稳定悬浮的必要条件,推导了永磁体在安装导磁罩后的磁场方程,利用COMSOL软件的静磁场仿真对永磁体和导磁罩的尺寸参数进行了优化,并通过实验对仿真结果的合理性进行了验证。(3)针对地面和太空两种环境,建立了惯性质量块在轴向和径向所受到的悬浮力的力学模型。该力学模型包含了铁磁流体注入量、磁场强度、惯性质量块和壳体的几何参数的影响。根据该力学模型,对惯性质量块在地面和太空两种环境下的力平衡和力矩平衡进行了分析,得到了影响惯性质量块的悬浮稳定性的因素,探讨了惯性质量块在地面环境下的悬浮状态和悬浮过程。(4)通过搭建实验台,对不同结构参数的铁磁流体动力吸振器中惯性质量块在轴向和径向的悬浮力进行了测量,得到了在地面和太空两种环境下径向悬浮力满足最优刚度时铁磁流体动力吸振器对应的结构参数。对径向悬浮力的线性度进行了考察,发现在地面环境下径向悬浮力的线性度最大达到了 17.84%,而在太空环境下,径向悬浮力的线性度最大仅为4.49%。(5)利用COMSOL软件对铁磁流体动力吸振器中铁磁流体及磁场的分布进行了仿真,仿真结果显示,铁磁流体的自由界面与等磁场线之间具有很高的吻合度,该结果说明重力和表面张力对铁磁流体自由界面的影响可以忽略不计。(6)对铁磁流体的磁粘特性进行了分析,通过实验对所选用的铁磁流体在磁场与涡量垂直情况下的粘度进行了测量。推导了铁磁流体的流场函数,从而求出了惯性质量块所受到的粘性剪切力。推导了惯性质量块在阶跃力响应下的传递函数,并以此为依据搭建了实验台,对铁磁流体动力吸振器在不同环境和参数下的阻尼系数进行了测量,其中与最优阻尼系数最接近的值为0.54kg/s。(7)利用铜板的自由振动,对铁磁流体动力吸振器在不同初始振幅扰动下的减振特性进行了研究。在地面环境下,对于所选用的铁磁流体动力吸振器,其理论计算结果与实验测量结果的符合度较高,且振动衰减的时间百分比的测量值在94.7%以上,最高可达97.73%。而对于太空环境下所选用的铁磁流体动力吸振器,其振动衰减的时间百分比的理论计算值在98.75%以上,最高可达99.46%。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V414
【部分图文】：

１．２．１铁磁流体简介??铁磁流体是一种由纳米级的磁性固体颗粒通过表面活性剂包裹后，稳定分散??于合适的基载液中所形成的一种胶体溶液［２４＞＾，其构成如图１－１所示。这种胶体溶??液既具有液体的流动性，又具有普通磁性材料的磁性［２６１。其中，磁性固体颗粒的??种类、大小、形状和含量决定了铁磁流体的磁学性能ｍ＊２８］。目前，用于制备铁磁??流体的磁性固体颗粒种类有?Ｆｅ３０４、Ｆｅ２０３、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ２〇４??和ＭｎＦｅ２０４等［２９＿３２］。这些磁性固体颗粒在基载液中做无序的Ｂｒｏｗｎ运动，使其即??使在重力场、电场、磁场中也能稳定地悬浮在基载液中，不发生凝聚和沉淀［３３］。??而基载液和表面活性剂的物理及化学性质则更大程度上决定了铁磁流体的流体性?＿??能，如挥发率、粘度、稳定性、耐温性和抗辐射性等［３４］。基载液的选择通常根据??外部环境要求来确定，可以是水、酯及二酯、碳氢化合物、氟碳化合物等［３５］。在??２??

＾极靴細体?ＬＪ??图１－４两种用于旋转设备的铁磁流体粘滞阻尼器示意图［５９］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ?ｖｉｓｃｏｕｓ?ｄａｍｐｅｒｓ?ｕｓｅｄ?ｉｎ?ｒｏｔａｒｙ?ｍａｃｈｉｎｅ［５９］??在此后的研究中，一些学者将铁磁流体直接注入到电机内部［６Ｑ－６２］，并通过电??机内部的磁场将铁磁流体吸附在定子和转子之间的间隙内，从而抑制加速度、振??动和振荡造成的冲击力，如图１－５所示［６３］。如果电机内部空间受限、转轴导磁性??不高或者电机内部不具有良好的磁场环境时，可以在电机转轴末端外接一个铁磁??流体粘性阻尼器［６４＿６６］。这种铁磁流体粘性阻尼器将铁磁流体注入在由永磁体与导??磁性壳体所形成的磁回路间隙内，形成一个阻尼环。永磁体安装在惯性质量块上??并与电机转轴连接。若惯性质量块的体积或长度过大，则在阻尼器内安装轴承进??行支撑，如图１－６所示［６７，６８］。如果对精度有极高的要求，也可以将上述两种方式组??合使用。相比于其他粘性液体

铁磁流体、４壳??＿＾麵二，??图１－６安装在电机转轴末端的铁磁流体粘滞阻尼器％６８］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－６?Ｔｈｅ?ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ?ｖｉｓｃｏｕｓ?ｄａｍｐｅｒ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ａｔ?ｔｈｅ?ｅｎｄ?ｏｆ?ａ?ｍｏｔｏｒ?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ｓｈａｆｔＩ６７，６８］??基于铁磁流体磁化特性的振动控制技术也可以用于改善电磁阀的性能，典型??结构如图１－７所示％。??永磁体铁磁流体弹簧活塞?阀腔??１?＇?＼?．?ｉ??导殿壳线圈填料密封?＾?＾７Ｋ??图１－７应用铁磁流体的电磁阀示意图ｔ７４］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ａ?ｓｏｌｅｎｏｉｄ?ｖａｌｖｅ?ｗｉｔｈ?ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ［７４］??当电磁阀内部的线圈通入电流时，在铁芯和活塞之间将产生磁场力，从而吸??引活塞朝着铁芯移动。而当线圈内部电流中断时，套在活塞上的弹簧将使活塞远??离铁芯。因此随着线圈内部电流方向的改变，活塞将在阀体内部做往复运动，使??电磁阀完成换向或开合，从而达到控制流体流动的目的。活塞和铁芯之间的磁场??力会随着两者间距的减小而急剧增加，在两者完全接触的瞬间，冲击力达到最大??值。该冲击力所产生的噪音和振动如果发生在透析仪、呼吸机、血压监测器等医??疗设备中将严重影响病人的舒适度。如果在电磁阀的铁芯处加入铁磁流体
【参考文献】

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1 朱孟萍;耿磊;陈新龙;李志;;带有阻尼机构的多柔体航天器动力学建模[J];空间控制技术与应用;2017年03期

2 张家雄;张华山;曹晓瑞;张会杰;魏小彪;;航天器仪器安装板附加约束阻尼层设计与振动抑制验证[J];航天器环境工程;2016年05期

3 李林;王栋;徐婧;谭陆洋;孔林;程龙;贾学志;杨洪波;;飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星光轴的影响[J];光学精密工程;2016年10期

4 余晓洁;孙彦;刘阳;刘斐;;周建平:中国空间站将有诸多后发优势[J];太空探索;2016年04期

5 沈振兴;胡更开;;大型航天器结构的热致振动研究[J];载人航天;2016年01期

6 刘敏;杨军;李学林;徐世杰;;挠性航天器退步自适应姿态机动及主动振动控制[J];空间控制技术与应用;2015年01期

7 谭天乐;朱春艳;朱东方;宋婷;孙宏丽;顾玥;杨雨;;航天器微振动测试、隔离、抑制技术综述[J];上海航天;2014年06期

8 孙晓芬;杨斌堂;赵龙;;巨磁致伸缩自适应精密驱动和振动控制[J];噪声与振动控制;2014年05期

9 张华;宗益燕;;太阳电池阵运输过程的振动环境及可靠性分析[J];航天器环境工程;2014年05期

10 次永伟;邱大芦;付乐平;邵小平;;航天器振动试验控制技术进展[J];动力学与控制学报;2014年03期

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本文编号：2879041