磁流变阻尼器Bingham力学模型改进及参数辨识

磁流变阻尼器不仅具有阻尼快速响应、良好的温度稳定性、内部结构简单等优势,而且可以通过调节控制电流使阻尼器的出力值连续变化,实现阻尼力可控。由于磁流变阻尼器阻尼特性与内部磁流变液的磁流变效应有关,具体表现非常复杂,现有力学模型目精度不足,无法精确描述磁流变阻尼器的阻尼特性。在磁流变阻尼器力学性能测试基础上,应用分段拟合函数方法同时结合反正切函数模型改进模型,并辨识改进后力学模型中各参数。将改进后的Bingham模型与实际测试出力值进行对比,结果表明改进后的Bingham模型能够很好地解决Bingham力学模型在非线性滞回阶段出力值曲线与实际测试数据不符的问题,改进后模型总体出力值曲线与阻尼器实际出力值基本相同,模型精度大幅提升。此种改进方法为磁流变阻尼器建立高精度力学模型提供参考。

磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

双磁场控制的磁流变减震结构振动台试验研究

传统磁流变减隔振器通常由线圈持续供电,不仅增大耗能,也会减少器件的使用寿命。基于磁流变凝胶(MRG)的剪切工作原理,运用剪切型结构设计一种新型磁流变凝胶减震装置,采用永磁体和线圈共同控制磁场大小和方向,通过改变磁流变凝胶的磁化程度实现阻尼力大小的控制。将该装置安装在一2层钢框架结构模型的底层,采用恒定电流控制法开展磁流变减震结构振动台试验研究,分析不同电流下减震结构系统对不同地震波的振动控制效果。试验结果表明:该磁流变凝胶减震装置能够显著降低结构的动力响应,对于不同的地震波其减震效果有所差异,随着峰值加速度的增加其减震效果有所下降。

一种新型引磁式磁流变阻尼器研究

针对特定结构限制下磁流变阻尼器工作性能的优化问题,在传统磁流变阻尼器的基础上设计了一种新型引磁式磁流变阻尼器,建立了磁场与流场耦合动力学模型;以输出阻尼力和动态可调系数为优目标函数,基于多目标遗传算法对该型磁流变阻尼器内部活塞进行了优化;建立了多物理场耦合模型并进行了仿真和冲击试验。仿真结果表明:在相同外形尺寸条件下,新型磁流变阻尼器的有效阻尼通道长度为64 mm,相比普通磁流变阻尼器提高了60%;新型磁流变阻尼器的力学特性与动态可调性更加优越,当施加2.0 A电流、活塞运动速度为0.09 m/s时,新型磁流变阻尼器的输出阻尼力为55.9 kN,相比普通磁流变阻尼器(32.4 kN)提高了72.5%;施加不同大小电流时新型磁流变阻尼器的峰值压力与吸能容量均明显高于普通磁流变阻尼器。冲击试验结果表明:当施加2.0 A的电流、冲击速度为2.45 m/s时,相比普通磁流变阻尼器,其峰值压力达到11.64 MPa、峰值压力提高约41%。峰值压力试验结果与仿真结果对比表明:仿真结果和试验结果的趋势是一致的,其相对误差在0.1之内,表明了仿真模型的有效性。

磁流变纤维骨架阻尼增强型阻尼器研究

为了增强磁流变脂的剪切性能,提高阻尼器的阻尼力输出,研究棉纤维对磁流变脂剪切增强效果。制备了不同棉纤维质量分数的磁流变脂试样,在流变仪上对其进行测试。结果表明,复合纤维磁流变脂的最大剪切应力随着纤维质量分数的增加而增加。基于复合材料设计制造了一款剪切式磁流变阻尼器,该阻尼器具有磁流变材料用量少、密封要求低等优点。磁流变阻尼器的阻尼特性实验表明,在1.6 A电流下,棉纤维质量分数为1.5%的磁流变脂的最大阻尼力可达99.5 N,与无棉纤维添加的磁流变脂相比,提升了23.8%,这表明使用复合纤维磁流变脂的阻尼器具有更好地阻尼力输出。

新型磁流变隔震支座的力学动态性能研究

永磁体可对磁流变隔震支座提供一个初始磁场,设计一种利用永磁体和电磁线圈形成混合磁场功能的新型隔震支座,线圈产生的磁场调节永磁体的磁场以改变磁流变弹性体层的刚度,实现隔震支座的可变刚度性能。利用ANSYS Electronics软件对隔震支座进行仿真分析,模拟出不同电流强度下试验装置内部的磁感应强度、绘制其磁通量密度云图并计算其饱和点。制备羰基铁粉体积分数为23%的磁流变弹性体,研究隔震支座试验过程中励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对其剪切性能的影响。结果表明:隔震支座的刚度随控制线圈电流增强而实时降低,实现磁流变弹性体隔震支座的变刚度特性;刚度软化条件下励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对磁流变弹性体隔震支座等效刚度及等效阻尼具有显著影响。

反向消磁条件下磁流变脂隔震模拟试验研究

采用电磁线圈及永磁体共同控制磁场,自主设计一种可反向消磁的磁流变脂(MRG)剪切试验装置。利用ANSYS Electronics软件对该试验装置磁场分布进行仿真分析,并制备不同羰基铁粉质量分数的MRG,采用振动台对反向消磁条件下MRG的动态剪切性能开展试验测试,分别研究励磁电流、激振幅值和激励频率对MRG动态性能的影响。结果表明:羰基铁粉质量分数对MRG的动态性能影响显著;MRG的剪切应力随励磁电流的增大先快速增大后趋于平缓,阻尼力则逐渐减小;MRG的耗能能力随位移幅值的增加而增强;随着加载频率的增大,其阻尼力略有增加。

基于磁流变阻尼器的滚珠丝杠进给系统主动抑振研究

针对滚珠丝杠进给系统轴向振动影响工件的加工质量和精度保持性的问题,将磁流变阻尼器应用于机床滚珠丝杠进给系统轴向抑振。设计磁流变阻尼器,进行磁流变阻尼器阻尼特性试验,采用最小二乘法和BP神经网络对阻尼力进行了辨识。建立带有磁流变阻尼器的机床滚珠丝杠进给系统单自由度振动模型,基于Runge-Kutta法计算了系统的动态响应。通过数值计算发现:阻尼器输入电流由零逐渐增大时,系统能够快速趋向于稳定;由幅频曲线可以看出,磁流变阻尼器抑制滚珠丝杠进给系统的振动是可行的。最后试验验证了磁流变阻尼器能够很好地抑制滚珠丝杠进给系统的振动。

面向软体机器人的磁流变弹性体变刚度模型研究

软体机器人在柔性抓取时存在手爪刚度单一不足的情况,而且磁流变弹性体的变刚度范围有限,本文提出了一种变刚度范围大的磁流变弹性体模型。在磁流变效应基础上设计了一种以磁流变弹性体为主体材料的“菱形”变刚度模型,并给出了3D打印模型与铸造技术工艺。通过电磁铁产生的磁场,构建了一种磁-力耦合模型,分析了“菱形”变刚度模型主要刚度变化关系,探索了影响模型变刚度的因素。通过建立的实验平台,结果表明:本文提出的“菱形”模型可以大幅提高磁流变弹性体的变刚度范围,并且可以实现通过控制电流大小来控制模型的刚度大小,含有3个“菱形”结构的模型在磁场下刚度变化的百分比可以高达约58%,可使磁流变弹性体作为类“皮肤”应用在软体机器人手爪上。

基于磁流变液的薄壁零件铣削技术研究

针对弱刚度、复杂形状的零件在切削夹紧过程中难夹持、易变形的问题,提出了基于磁流变液(MRF)的变刚度柔性辅助支承方法,以获得理想的加工质量。利用磁流变效应的快速、可逆及可控等特性,通过结构设计和磁路仿真,研制了用于薄壁曲面零件加工的磁流变自适应柔性辅助支承装置;建立了以加工形变最小为目标函数的优化模型,对该装置支承单元的数量和位置分布进行优化设计;搭建了铣削试验平台,通过对铣削信号进行测试分析,验证布局优化和励磁电流对加工质量的影响。结果表明,布局优化后的磁流变辅助支承装置随着电流的增加,可以有效地提高系统刚度,减小切削振动响应,改善加工质量。

具有智能蒙皮潜质的磁流变弹性体磁力学特性

变体飞机的难点之一在于变形机翼,而变形机翼的难点之一在于变形蒙皮,其中后者的研究难度长期以来被忽视。以往很多变形翼蒙皮的研究与设计中,一般更加关注基于力学特征的智能材料。本文从变体结构中的变形蒙皮特性与需求出发,简述了变形蒙皮的研究进展,论述了磁流变弹性体(MRE)的概念、材料组成以及功能等内容,以及磁流变弹性体磁力学的相关表征。

基于最小二乘法和BP神经网络的磁流变阻尼器H-B模型参数辨识方法

针对Bingham模型磁流变阻尼器由于剪切稀化效应带来的阻尼力计算误差,在理论和仿真分析的基础上,提出一种最小二乘法和BP神经网络相结合的方法,对磁流变阻尼器H-B模型进行参数辨识,获得各参数与电流的关系,从而对磁流变阻尼器的阻尼力进行准确计算。最后通过磁流变阻尼器实验对理论方法进行验证。结果表明:借助于磁流变阻尼器的仿真分析,最小二乘法和BP神经网络相结合的磁流变阻尼器H-B模型参数辨识方法精确度高、吻合性好,验证了参数辨识结果的通用性及准确性。

桥梁磁流变隔震支座实桥减震性能分析

在桥梁结构设计与建设中,利用减隔震支座来避免或减小地震对桥梁支座结构的损害是一种常用的方法,常见的桥梁减隔震装置有阻尼器、减隔震支座及减隔震伸缩装置等。其中,减隔震支座能很好地支承桥梁结构,为其提供水平方向的柔度,尽可能减小桥梁结构对地震能量波的响应,从而达到抗震效果。本文分析磁流变减隔震支座这一新型减隔震装置的减震性能。

磁流变超精密加工硅晶圆片的力学特性及其质量控制

晶圆是一种超薄且具有硬脆性的高精度光学材料,传统加工难度较大且具有一定的局限性,高集成度的集成电路发展对硅晶圆片表面的线宽、硅晶片的平直度要求越来越苛刻。磁流变超精密加工技术作为柔性加工手段通过调控磁场的变化规律,进而控制磁流变抛光液的流变特性,实现晶圆表面材料去除和表面误差校正。为揭示磁流变超精密加工晶圆表面质量控制规律,基于晶圆材料的JH2本构模型,对磁流变超精密加工过程中的表面应力、表面压力及切削方向规律残余压力进行探讨,获得磁流变超精密加工晶圆的力学特性,形成磁流变超精密加工硅晶圆片的质量控制。

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。

直升机主减磁流变隔振系统自适应控制研究

为了有效减小直升机旋翼通过主减速器向机身传递的多方向、宽频带振动,提出一种基于全系数自适应控制的新型直升机主减磁流变隔振系统。首先,对剪切阀式磁流变阻尼器进行力学特性测试,并采用Bouc-Wen模型建立磁流变阻尼器动力学模型。其次,介绍主减磁流变隔振系统的结构方案及其工作原理,并采用拉格朗日能量法推导系统的动力学方程,对其动力学特性进行仿真分析。随后,针对主减磁流变隔振系统的振动特性,设计基于特征模型的全系数自适应控制器,在扫频激励下进行数值仿真。最后,搭建磁流变隔振实验台,进行垂向振动控制验证实验。结果表明,与被动隔振及天棚控制相比,基于特征模型的全系数自适应控制器具有更好的隔振性能,能有效减小直升机旋翼向机身传递的振动。

船用起重机磁流变防摆装置动力学分析和实验验证

为了解决船用起重机在执行吊装转运作业时,货物出现摆动降低工作效率且极易造成安全事故的问题,将磁流变技术引入船用起重机防摆领域,设计了一种机械式防摆装置。推导了船-起重机-吊点-防摆装置-吊重的三维动力学模型。对装置的防摆效果进行分析,结果表明,当输入给磁流变防摆装置恒定电流时,随着电流增大,防摆效果愈加明显,在设定工作背景下,当给定电流2 A时,对面内角及面外角的抑制分别为75%、82%。为了优化控制策略,降低能耗,提高防摆的鲁棒性,设计了变论域模糊PID(variable universe fuzzy PID,VUFPID)控制器。采用VUFPID控制器时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为85%和83%,能耗约为113 J;采用A组恒定电流时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为60%和68%,能耗约为140 J;采用B组恒定电流时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为50%和58%,能耗约为110 J。可见采用VUFPID后,能实现低能耗、效果明显的防摆作用。最后搭建实物样机,验证了磁流变防摆装置的有效性。

磁流变抛光流场对光学元件凹面的压力形成机制研究

压力场的大小受到光学元件的凹面形状及面积大小的影响。为了研究凹面的压力场形成,首先建立抛光的光学元件模型,对凹面的压力进行计算分析;其次通过改变光学元件凹面的曲率半径大小、改变抛光轮的转速、改变相同曲率半径的光学元件浸入磁流变液中的角度,进行凹面压力计算。分析发现,曲率半径对凹面的压力影响不大,不同曲率半径的凹面在磁流变抛光流场中的压力分布类型相似;凹面的压力变化趋势先平缓减小,然后迅速减小,最后趋于平缓。改变抛光轮的转速对凹面压力的影响仅是凹面最大压力的改变,抛光轮的转速与凹面最大压力成正比,压力变化趋势在前段区域先是平缓,中间区域减速较快,后段区域压力趋于平缓。改变凹面浸入抛光液的角度,压力的变化较为显著,在凹面的前半区域压力急剧减小,然后趋于平缓,凹面的后段区域压力几乎不变。

基于改进遗传算法的磁流变阻尼半主动控制系统整体优化

为解决磁流变阻尼半主动控制系统中控制算法参数、阻尼器参数与布置位置优化问题,提出一种改进的自适应小生境遗传算法.该遗传算法在选择策略、交叉和变异操作、交叉概率和变异概率的自适应调整等方面作了改进,并同时采用预选择机制和共享机制这两种小生境技术.算例分析结果表明:改进的自适应小生境遗传算法和改进的基本遗传算法优化结果总体一致,表明前者分析结果是正确的;前者首次得到最优解耗费的机时比后者平均少32.7%,可见前者比后者收敛速度更快;30次优化分析结果表明,前者比后者稳定性更强;经前者优化的磁流变阻尼半主动控制系统取得良好减振效果,El Centro波、集集波、人工波输入时,半主动控制结构层间位移角和绝对加速度的最大值较无控时分别平均减小64.1%、54.7%、55.9%.算例表明了改进的自适应小生境遗传算法的有效性,实现了对磁流变阻尼半主动控制系统的整体优化.

各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型

各向同性磁流变弹性体是一种将磁性颗粒随机掺入到聚合物基体中制备而成的智能材料。在磁场作用下,其模量发生快速、可逆、连续变化,在振动控制领域显示出良好的应用前景。实验结果表明,各向同性磁流变弹性体的动态力学行为具有很强的频率、应变幅值和磁场相关性。尽管上述行为对于其潜在应用具有重要的影响,但目前关于各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的理论研究则关注不够。为准确评价各向同性磁流变弹性体的动态力磁耦合行为,并指导其相关产品的设计,本文建立了一个基于连续介质力学理论,反映各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型。随后,开发了和本构模型对应的数值实现算法,并对模型的预测能力进行了验证。该模型有助于深入理解各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的潜在力学机制。此外,该模型有助于指导基于各向同性磁流变弹性体产品的设计和应用。