电流变液与压电陶瓷复合的自耦合阻尼器

第28卷第1期 力 学 与 实 践 2006年2月 电流变液与压电陶瓷复合的自耦合阻尼器” 赵晓鹏2)唐宏刘曙尹剑波 (西北工业大学电流变技术研究所14i#，西安710072) 赵晓鹏，博士，男，1957年生，西北工业大学教授、博士生导师、2000年国家杰出 青年科学基金获得者，西北工业大学智能 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与结构中心主任．长期从事智能材料与 结构研元发表科研论文200余篇，其中SCI检索97篇，EI检索85篇，引用500 多魄申请和授权中国发明专利76项，获省部级科技奖励5项；培养博士生23人， 硕士生42人 摘要基于智能结构的思想，率先提出设计制作电流变液和压电陶瓷复合的自耦合阻尼器．相比于通常 的电流变液阻尼器，该自耦舍阻尼器采用压电陶瓷响应外界振动而输出高电压，激励电流变液体工作，从而省 去了外加高压电源，随外作用力变化，激励电流变液的压电陶瓷电压自动改变，阻尼器具有自适应的特征，省 去了通常的计算机等控制系统．研制的第1代电流变液／压电陶瓷阻尼器实现了自适应的控制过程，显示了 良好的减振性能．在第2代产品中采用了新的设计，提高了阻尼器的结构稳定性和可靠性，使阻尼器整体性能 得到提高． 关键词智能结构，电流变液，压电陶瓷，阻尼器，自耦合 SELF．CoUPLEDDAMPERSCoMPoSEDoFELECTRoRHEoLoGICAL FLUIDSANDPIEZOELECTRICCERAMICS ZHAOXiaopengTANGHongLIUShuYINJianbo (InstituteofElectrorheologicalTechnology,NorthwesternPolytechnicaluniⅫi饥Xi’an710072，China) AbstractBasedontheconceptofintelligentstructures，serf-coupleddamperscomposedofelectrorheological (ER)fluidsandpiezoelectricceramicsareproposedinthispaperUMiketheconventionMERdampers，theself- coupleddampersemploypiezoelectricceramicstorespondtheexternMvibrationandtoprovidetheelectricfield forsolidificationofERflmds．Withachangeintheexternalvibration，theelectricfieldchangesaccordinglydue tothepiezoelectricceramics．resultinginanadaptivecontrolprocess．Theself-coupleddampershaveasimple andcompact机cturesincethehighvoltagesupplyandthecontrolsystemarenotinvolved．Twogeneration productsoftheseIf-coupleddampershavebeenmanufactured．Severalmodificationshavebeenincludedinthe secondgenerationself-coupleddamperandboththestabilityandthereliabilityofthedamperareimproved． Keywordsintelligentstructure，electrorheologicalfluid，piezoelectricceramic，damper，self-coupled 2005—10-25收到第l稿．2005-12--07收到修改稿． 1)国家杰出青年科学基金(50025207)，国家自然科学基金重点项目(59832090)和863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (2001AA327130)项目资助 ∞E-maihxpzhs,o@nwpu．educn 万方数据 8 力 学 与 实 践 2006年第28卷 1引 言 电流变液(ekctrorheologicalfluids，ER流体)是 一种智能材料，它一般是由微米(或纳米)尺度的具 有高介电常数的颗粒均匀分散在绝缘的低介电常数 的油相介质中形成的悬浮液[1“t0J．当施加外电场 时，ER流体从流动状态转变为类固体状态，其表 观黏度急增几个数量级，并达到较高的剪切应力． 该过程是可逆、可控、迅速和低功耗的[1⋯4,10j．这些 优良的机电耦合性能使ER流体能有效地解决机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中能量传递和控制等问题． 通常ER器件中ER流体工作模式可分为剪切 式、流动式和挤压式【”“⋯在剪切模式中，一个 或二个电极直线或旋转运动， ER流体受剪切作用 而平行电极流动．如Dulcos设计的滑片式ER阻尼 器，它利用来自滑动电极间的ER剪切阻力来控制 外界振动M．流动模式中两电极是固定不动的，以 形成一个流动通道．通过调节电场强度，ER流动 阻力可以被调控．挤压模式的特征是：电极间隙随 时闻变化，中间的ER流体受到垂直方向上的挤压 作用．研究表明挤压模式有许多优异性能．最近， 日本Furusho等人发展了一种ER触觉装置，其被 认为在虚拟现实(VR)技术中有许多可能的应用． 该触觉装置的核心是一个ER离合驱动器【18J．韩国 Choi等人发展了一种剪切模式的ER汽车引擎座， 其比传统的引擎座更能提高乘坐的舒适性119J． 在通常的ER装置中，需要外部高压电源来提供 对ER流体的电激励．为实现精确的控制，需要计算 机等控制系统来控制电压输出．因此通常的ER装 置都比较复杂．笔者提出了ER流体和压电陶瓷复 合的自适应阻尼器，采用压电陶瓷响应外界振动而 输出高电压，该高电压直接支持ER流体工作．这种 自适应ER阻尼器具有更简化、更便宜、更节能的 特点．本文首先介绍了笔者研制的第1代ER流体 和压电陶瓷复合的自适应阻尼器：弹簧直压式和楔 形施力式．然后介绍改进后的第2代ER流体自耦 合阻尼器．在第2代产品中采用了新的设计，从而 能克服第1代产品中的缺点，使阻尼器性能得到提 高． 2电流变液-压电陶瓷自耦合阻尼器工作 原理 由于ER流体工作时只消耗很低的功率，可以用 压电陶瓷来代替高压电源．外界振动作用在压电陶 瓷上使其产生高电压输出，将该高电压直接激励电 流变液，受激的ER流体发生转变，其表观黏度增 加，从而导致减振系统阻尼增加，实现对外界振动 的控制，此过程用图l表示． 图l电流变液-压电陶瓷自耦合阻尼器工作原理图 这种工作原理实现了从激励到控制的闭环控制 过程．如果外界振动强，则作用在压电陶瓷上的压 力大，压电陶瓷输出的电压就高，进而对ER流体的 激励也就增强，ER流体的固化作用也增强，反过 来对外界振动的抑制作用也随之增大．这个过程具 有自适应(自动调节)的特征．同时用压电陶瓷代替 了高压电源和计算机控制设备，使整个阻尼器的结 构得以简化． 压电陶瓷的压电输出为⋯V=933hF／S，其中， h为压电陶瓷的高度， s为截面积，靠3为压电系 数．选用山东淄博无线电陶瓷厂的Pb(Zr—TiOs)压 电陶瓷，其尺寸为≯7ram×15mm．压电陶瓷的压力 一电压输出性能见图2，当外部压力由达到70MPa 时，压电陶瓷输出的电压可高达7kV． 压强／MPa 圈2压电陶瓷的压力一电压输出关系图 3第1代ER流体和压电陶瓷复合的自适 应阻尼器 3．1弹簧直压式阻尼器p“ 弹簧直压式阻尼器(图3)的活塞头和电极固定 件上都打有小孔， ER流体可以自由穿过小孔在阻 尼腔体内流动．压电陶瓷竖直固定在加压板下方． 活塞和加压板之间是一个刚性的弹簧．一组同心圆 柱型电极通过电极固定件被固定在活塞杆上，阻尼 器工作过程：当活塞上下振动时，受压力激励的压电 陶瓷产生高电压，这样电极间的电场就建立起来． 万方数据 第1期 赵晓鹏等：电流变液与压电陶瓷复合的自耦合阻尼器 9 陶瓷被安放在带旋柄的小盒中．当旋柄转动时，带 动偏心轴转动，使其中的压电陶瓷受挤压，输出的 高压由导线接到固定在阻尼筒内部的同心圆柱电极 上．当楔形头和活塞杆受外界振动上下运动时，楔形 头旋紧或放松旋柄，压电陶瓷受产生高电压输出， 流经电极的ER流体受电激励而发生固化作用，其 流动阻力增大，使活塞的振动受到抑制．制作的阻尼 器外筒尺寸#52mraxi00film．电极高度60mlll．内 电极直径40mm．内外电极间隙1．5mm．阻尼器外 简的壁厚3liltl2． 3．3减振实验 图3弹簧直压式阻尼器的结构半剖圈 实验使用的ER流体是稀土掺杂的Ti02颗粒和 硅油的均匀混合液体．颗粒相的体积分数为27％， 流经电极的ER流体被激励固化，系统阻尼升高， 在直流电场2．5kV／。。时，ER流体的屈服应力可 使外界振动受到抑制· 以达到4kPa．实验中，JZ5．5型振动激振器竖直放 3．2楔形施力杆式阻尼器【2≈ 置，其激振杆通过加速度传感器与待测职阻尼器 的活塞杆上端连接好．阻尼器底部固定在地面上． 楔形施力杆式阻尼器(图4)的活塞杆贯穿整个 加速度传感器将监测到的信号送入DHF型电荷放 阻尼筒，在活塞杆的下方固定有一个楔形头．压电 大器和CF350信号分析仪[23，24]． 图5(a)和图S(b)是激振器输出功率为75％(全 功率为loo％)时测得的加速度幅值与频率的关系曲 线．图5(a)是在压电陶瓷输出未接在电极上时测得 的，而图5(b)是接上该电压输出后的情况．图中l， 坐标是加速度传感器测得的电信号值(单位my)．可 图4楔形施力杆式阻尼器结构图 >2 目＼ 测 旧 脚 心 逛 越 徊 詹0 >2 g＼ 趔 蹬 脚 心 地 趔 馏 层0 k．n～坩觯k川 0 50 鞭率／Hz (a)压电陶瓷输出未接入 100 ‰～。w。聃舢虬 0 G0 100 频率／Hz (b)电压输出接入 图5澈振器输出功率75％时加速度幅值与颠率的关系 万方数据 10 力 学 与 实 践 2006年第28卷 以看出，加速度幅值谱线的包络线在图5(a)中比图 5(b)中的普遍稍低一些，说明当加上压电输出后， 加速度幅值被降低了．由于位移振幅如和加速度幅 值A。有如下关系Ad=A。～2，这说明位移振幅在 加上压电输出后也被降低了．此外，最大加速度幅 值处的频率值也由未加电压时图5(a)的57．3Hz移 动到加上电压时的64．7Hz．说明由于压电输出的高 电压的激励，ER流体受到电激发，其屈服应力也 增大，导致阻尼器阻尼增大，阻尼器的振动受到了 抑制． 图6(a)和图6(b)是激振器输出功率降为50％时 的测试曲线．仍可看出：图6(b)的包络线比图6(a) 中的降低一些．但是降低的程度却小了．然而，最大 加速度幅值处的频率移动却仍很明显．从未加电压 时图6(a)中的56．6Hz移动到加上电压时图6(b)的 65．7Hz．这同样是由于ER效应，使阻尼器内阻尼增 大而使阻尼器的振动得到了抑制．图5和图6中的 曲线都是尖齿状，不是很光滑．这可能与阻尼器系 统中的一些非线性因数有关．例如，楔形头与旋柄 之间的摩擦．旋柄转动力与振动位移的非线性关系 及阻尼器中ER液体的流动等，但从一个整体性质 来看，曲线包络线的降低和最大加速度频率值的高 频移动等是较明显的． >2 目＼ 趔 出 脚 心 地 越 捌 茸0 > g＼ 趔 幽 删 心 地 越 懈 舞 ‰^。。k^_从肌洲 0 50 100 频率／Hz (a)压电陶瓷输出未接入 llIp^^_一。十^．H。k。蛾潦 0 50 频率／nz 4第2代电流变自耦合阻尼器【25】 弹簧直压式阻尼器中压电陶瓷通过弹簧被直接 安置在活塞头下面， ER流体充满了整个活塞腔和 弹簧腔室，因此需要较多的ER流体，由于目前较好 性能ER流体价格仍较高，这会提高阻尼器成本．楔 形施力杆式阻尼器中采用了类似杠杆的机械以提高 作用于压电陶瓷的压力．如果外界振动过强，可能 使压电陶瓷块碎裂．第1代ER阻尼器中压电陶瓷 的数量为2个，并且采用并联方式，实验发现产生 的压电输出比较低，对ER流体的电激励也较弱， 并且楔形施力杆式阻尼器的结构稳定性也较差，这 些缺陷制约了这类自适应阻尼器的使用． 4．1自耦台阻尼器设计与制作【26121 针对第l代产品的缺点，设计制造了第2代阻 尼器．图7是第2代自耦合阻尼器的剖视图．对比第 l代自适应阻尼器，有3方面的改进：(1)压电陶瓷 数目，安置方式和电气连接方式．在第2代阻尼器 中，采用了3个压电陶瓷，并且呈三角形嵌入在套 板中，这种三角对称嵌入式固定压电陶瓷的方法能 确保阻尼器在受载荷过程中保持很好的稳定性和可 靠性．压电陶瓷电气连接方式由并联变为串联，这 样总的输出电压被提高了，对ER流体的电激励固 化作用更强．(2)第2代产品中，压电陶瓷机构由位 于ER阻尼腔下方变成了位于ER阻尼腔上方．这 样便于外界攘动载荷更有效地传递到压电陶瓷上， 整个系统的工作灵敏性得到提高． (3)孔一道结构 被增加到同心圆柱电极上，用以连通阻尼腔和电极 间隙．由于对某些ER流体来说，屈服应力还不是 (b)电压输出接入 图7自耦台ER压电陶瓷阻尼器结构剖视图 图6激振器输出功率50％时加速度幅值与频率的关系 万方数据 第1期 赵晓鹏等：电流变液与压电陶瓷复舍的自耦合阻尼器 足够的高，这种结构设计能增大ER流体流过孔道时 的阻力，从而有效地提高系统承受外载荷的能力． 表1列出了两代阻尼器的对比信息．改进后的新阻 尼器在结构稳定性，工作灵敏性和承受载荷能力方 面都有很大提高． 图8是自耦合阻尼器实物照片．阻尼器分5个 部分：施力部分(包括活塞和活塞杆)，压电功率输 出(包括弹簧，压簧板，压电陶瓷)，阻尼部分(包括 阻尼内外筒，ER流体)，电气连接部分(导线和绝 缘板)，封装部分(如外筒，底座，固定螺栓等)．阻 尼器工作过程：当策动力加在活塞杆上，使活塞杆 上下振动，压簧板也随活塞杆上下运动，压力通过 表1两代阻尼器稳定性、灵敏性和承载能力对比 !譬竺4{苎望存 无明显摩擦面； 徘髑性曼知蠹纛纛瓷激威方式 ⋯1⋯⋯⋯。 承载能力 600N 5kN (a)外型 (b)内部零件 图8制作的第2代ER-压电陶瓷自耦合阻尼器实物照片 弹簧和绝缘板作用在压电陶瓷上，这时压电陶瓷受 压输出高电压，该高电压被接到内外电极上，电极 间的ER流体受到电激励，其表观黏度迅速升高， 在活塞运动推动下， ER流体流过阻尼腔下端的孔 道，流过电极间隙再由阻尼腔上端的孔道回流到阻 尼腔内，由于ER黏度剧烈增加，阻尼力反作用在活 塞上，而使活塞振动得到抑制，可以看出，该阻尼器 不但能自提供能量(不需要外界电源)，而且产生的 电压幅值由外界振动激励的强度来决定，外界激励 强，作用在压电陶瓷上的压力大，压电陶瓷输出的 电压就高，于是能达到更优化的减振效果．这说明 该阻尼器具有自适应控制的特征． 4．2振动实验 实验使用ce掺杂Ti02颗粒的ER流体，Ti02 中Ce的掺杂量按摩尔数为85％(即Ce，Ti的摩 尔数比为o．085：1)．其合成工艺简述如下：钛酸正丁 脂， CeCl，和去离子水溶解在无水乙醇中，呈清澈 黄色溶液，使用HCI控制pH值在3"-'4，后在室温下 放置12—48h，形成透明凝胶．然后在780C下干燥 8h，形成固态凝胶，使该固态凝胶研碎，过筛，然后 进行分段煅烧，空气气氛，最好温度550。C．晶态掺 杂的TiOz颗粒就制备好了．制得的颗粒(球形，直 径5—10am，P=3．89／cm3)在真空中1500C去水 分，然后与硅油(在25。C时口=50mPaS)混合制 成体积分数18％的ER流体，不使用任何添加剂。 用Hakke流变仪测量250C时的流变性能．测量方 式是剪切率从os。升到300S～，然后降回0s～． 因此一次测量会出现两条线(上升或下降段)，图9 是测量的流变曲线，测量时ER流体漏电流密度为 4．5#A／cm2 ER阻尼器的性能在VS一300—2(东凌振动仪器公 L ＼ 最 捌 S 嚣 剪切率／s“ 图9 Ce掺杂Ti02电流变液体应力一剪切率关系曲线 万方数据 力 学 与 实 践 2006年第28卷 司，苏州，江苏)振动测试台上进行．策动力由一 个激振杆施加．激振杆的加速度幅值设为3．59，g 为重力加速度．采用扫频激励方式，扫频速率为 80ctave／rain，扫频范围为5—270Hz．激励波形是 正弦，但频率随时间指数增加，这是测试阻尼行为 的常用方式．阻抗头被固定(磁性)在活塞杆上，然后 激励杆压在阻抗头上，活塞的加速度和策动力信号 由阻抗头同时测得，并传给HP-VXI型数据分析仪． 在其他条件相同时，只是接通和断开压电输出，分别 测得频率响应函数(FRF)曲线，见图10，FRF的 输入是力(单位：N)，输出是加速度(单位：m／s2)， FRF定义为；FRF=A(w)／H(w)，A(w)是输出， 日∽)是输入． 簸率f／Hz 图10实验测得的阻尼器频率响应函数(FRF)曲线 分析测得的图10中的FRF曲线可以得出：(1) 当接上压电输出时，FRF曲线包络线发生了很大 变化，这说明压电陶瓷产生的高电压已经激励了阻 尼腔内ER流体，并使ER阻尼器的工作状态发生 了明显变化．这点证明使用压电陶瓷来激励ER流 体是可行的． (2)接入压电电压后FRF的包络曲 线普遍比未接入压电电压时的FRF包络线低，特 别在220—250Hz频率内，FRF曲线包络下降可达 30％，这说明自耦合ER阻尼器对振动抑制效果是 很明显的，这点与使用外部高压电源的传统阻尼器 的特征是一致的． (3)当压电电压接入后，198Hz 处共振频率移动到了208Hz附近．共振峰的移动也 证实ER流体被激励固化了．阻尼器的振动状态也 发生了明显变化． 5结束语 尽管已设计出许多种类的基于ER流体的阻尼 器，但将ER流体和压电陶瓷复合起来做阻尼器的 概念是第1次被提出来．这里提出的阻尼器使用ER 流体作振动抑制的驱动器，压电陶瓷作外界振动响 应器和高电压输出器．激励ER流体固化的压电高 电压同时随振动振幅和频率的改变而变化，于是阻 尼器的自动调节过程得以实现．相比于传统的ER阻 尼器，这类阻尼器不仅结构简单，而且具备自调控 能力．第1代ER流体／压电陶瓷阻尼器实现了自 适应的控制过程，显示了良好的减振性能．第2代 自耦合ER阻尼器比第1代阻尼器有很大改进，如 压电陶瓷数量、安置方式和电气连接方式不同；载 荷施加机构不同；同心圆柱电极上采用孔道结构． 这些改进不仅提高了阻尼器的结构稳定性，并且也 提高了工作可靠性．对比第1代与第2代阻尼器， 频响曲线上显示出更好的振幅抑制和共振模高频移 动效果． 实验证明用压电陶瓷和ER流体复合起来形成 自反馈的控制系统是可行的．此外，这种设计方法 也可以广泛应用到其他自适应控制系统中去．这种 自耦合控制系统不仅可以简化设计和制作，在实际 操作中也非常方便． 参考文献 1WhittleM，BulloughWA．Thestructureofsmartfluids． Nature，1992，358：373 2HalseyTC．ElectrorheologicalfluidsScience，1992，258： 76l～766 3WinslowWMInducedflbrationofsuspension．JAppl Phys．1949，20：1137～1140 4赵晓鹛．电磁流变液与智能控制见：杨大智主编．智能材料与智能 系统，天津t天津大学出版社，2000(ZhaoXPElectrorheologi- calfluidsandintelligentcontrolsIn：YangDazhiedIntel- ligeatMaterialsandIntelligentSystems，Tianjin：Tianjin UniversityPress，2000(inChinese)) 5ParthasarathyM，KlingenbergDJElectrorheology：mech- anismandmodels．MaterialsSciEn9，1996，R17：57～103 6ZhaoXP，YinJB．preparationandelectrorheologicalchar- acte喊icsofrare-earth-dopedTi02suspension．Chem Mater,2002，14：2258～2263 7WangBX，ZhaoXPElectrorheologicalbehaviorof kaollnite-polarliquidintercalationcomposites．JMater Chem，2002，12：1865～1869 8"finJB．ZhaoXPPreparationandelectrorheologicMac- tivityofmesoporousrare-earth-dopedTi02ChemMa￡er， 2002，14；4633～4640 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2006，28(1) 被引用次数： 0次 参考文献(27条) 1.Wang BX;Zhao XP Wettability of bionic nanopapilla particles and their high electrorheological activity 2.Yin JB;Zhao XP Preparation and electrorheological activity of mesoporous rare-earth-doped TiO2 2002(11) 3.Wang BX;Zhao XP Electrorheological behavior of kaolinite-polar liquid intercalation composites 2002 4.Zhao XP;Yin JB Preparation and electrorheological characteristics of rare-earth-doped TiO2 suspension 2002(5) 5.Parthasarathy M;Klingenberg DJ Electrorheology:mechanism and models 1996 6.赵晓鹏 电磁流变液与智能控制 2000 7.Winslow WM Induced fibration of suspension 1949 8.Zhao XP;Liu S;Tang H A new kind of self-coupled electrorheological damper and its vibration character 2005(1) 9.刘曙;尹剑波;唐宏 自耦合电流变阻尼器及其性能[期刊论文]-机械工程学报 2004(40) 10.赵晓鹏;刘曙 一种无外电源的电流变自耦合阻尼器 2002 11.Tang H;Zhao XP;Liu S Design and performance research of an adaptive damper composed of electrorheological fluids and piezoelectric ceramics 2003(3) 12.唐宏;赵晓鹏 电流变液与压电陶瓷复合的自适应阻尼器设计和性能研究 1998(zk) 13.赵晓鹏;唐宏 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TC Electrorheological fluids 1992 27.Whittle M;Bullough WA The structure of smart fluids 1992 相似文献(10条) 1.学位论文 韩建强 聚氨酯基电流变液制备与电流变器件设计研究 1996 该文首先介绍智能材料和智能结构的基本概念,综述了目前有关电流变液材料,性质、机理及应用等方面的研究进展.作者制备了两种电流液材料:聚 氨酯基电流变液和双液相电流变液.聚氨酯基电流变液是基于电导失配的思想,通过改变原料比例或包覆铝粉的方法改变粒子电导率而制得的.对材料加上 电场后,在显微镜下观察到有链状结构出现.对材料力学性能测试后发现:1)、电流液体的静态剪切应力随外加电场的增大而增大.2)、单纯依靠提高电导 失配参数,只能在一定限度内增大电流变效应.双液相电流变液是一种溶液,而不是悬浮液,具有较好的抗沉淀性.另外,该文还设计了两种电流变灵巧窗.它 具有易于更换电流变液,可通过改变电场调节光线透射率的特点.对以双液相电流变液为光调控材料的电流变灵巧窗的透光性测试结果表明;增大电场强度 ,光线透射率增加.从智能材料和智能结构的思想出发,用电流变液作为控制振动的执行器,用压电陶瓷作为振动响应器和提供电场使电流变液固化的激励 器,设计了一种振动控制的复合式自适应阻尼器.它不需要外加高压电源及控制系统,具有自适应的特点.另外,该文还设计了一种机械挠动自适应控制机构 的起电装置,它是通过摩擦起电的原理使两种绝缘材料相互摩擦以产生高电压,用之激励电流变阻尼器中的电流变液,达到控制转子挠动的目的. 2.期刊论文 苏小萍.Su Xiaoping 电流变液及其工程应用 -中国建材科技2005(6) 介绍了电流变液智能材料的基本特性和它在土木工程减振结构体系、机械加工颤振控制、流体动力传输及汽车工程等方面的应用. 3.学位论文 鲁宏权 电流变液夹层结构的动力学特性和振动控制 2005 电流变液(Electrorheologicalfluid，ERfluid)是一种特殊的，性能较为突出的作动材料。这种材料属于悬浮型流变液体，在外加电场的作用下 ，流变体材料的表观粘度、弹性、塑性等流变性能会发生显著的可逆变化；当外加场强超过某临界值后，电流变体可以在几个毫秒内从液态变为类固态 ，而且材料内部力学性能也得到增强，一般体现为拉、压以及剪切屈服应力的增大。由于它具有响应速度快，工作能耗低，致动力变化范围大，埋放工 艺和控制方式简单等优点，利用这些材料特点所制成的自适应复合结构则可以直接实现与作动控制器的一体化结合，得到具有良好适应性和控制性能的 智能结构。 作为智能材料，虽然电流变材料在工程领域的应用前景十分广阔，但是其特殊的流变物理特性给理论研究工作增加了困难。目前所采用的流变复合 结构分析方法在体现流变材料力学特性和复合结构构成特征等方面仍存在不足，为此，需要寻找一种更为简便，合理，有效的建模 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，使之提供的流 变体复合结构模型能够较为全面准确地反映出流变材料在复合结构中所体现的力学特性。 本文的研究目的正是探求针对电流变自适应夹层结构理论研究的简便、合理、有效的实验建模分析方法，以便改善和提高此类结构分析的精度和真 实性;同时，通过实验考察不同类型的分布式电流变自适应夹层结构的动态特性变化规律以及对外激励响应的控制状况， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 和分析电流变复合结构动特 性与结构内在影响因素及外部工况条件之间的相互关系，为电流变智能材料在工程中的应用提供实践指导。为此全文围绕流变材料特性分析和流变性能 测试，电流变材料特性参数识别以及分布式电流变材料自适应夹层结构动态测试和实验建模分析这几个方面展开。本文的研究工作得到了国家自然科学 基金资助项目(19972054)的资助。这项研究在实验和理论上都取得一些新的成果，得到的结论对于电流变液夹层结构的设计和分析具有指导意义。 本文主要的研究工作和成果如下：1)对电流变学的发展现状，流变效应特征，应用原理及工程应用概况进行了综述，介绍了电流变材料及其自适应 复合结构的理论研究现状并指出了存在的不足之处。 2)基于能量等效原理分析了几种常见的流变模型与粘弹性模型之间的等效参量变换，考察了各模型在不同外激励频率和激励幅值作用下的等效材料 参数变化，并对各流变模型所体现的材料特性进行了对比。利用电极测试方法和流变仪对自行配制的电流变液材料分别进行了筛选和流变性能测试，得 到了零场条件下电流变液的流变特性和粘弹特性参量。测试表明，配制的电流变液在零场情况下为“剪切变稀，，型悬浮液，具有Bingham流体的特性。 3)基于粘弹性阻尼夹层结构的动力学分析方法基础上对电流变材料夹层梁结构的动力学特性进行了理论和实验研究。推导和建立了流变体夹层梁结 构动力学有限元模型，而后经进一步的实验、材料参数识别完成了电流变夹层梁结构的实验建模并进行了数值计算，分析了电流变体夹层梁结构在不同 强度的外电场作用时的结构动态特性变化，揭示了不同封边材料及外激励作用对流变体夹层梁结构动力特性的作用和影响。研究表明，电流变液夹层梁 的结构刚度和阻尼随着外加电场的增大而增大，其中以阻尼的增幅尤为明显；确定的电场作用下，随着激励幅值的增大，结构模态频率和模态阻尼下降 ，而且这种变化趋势随着场强的增大而变得更为明显；封边材料对于夹层结构动态特性有明显影响，不能简单地忽略，用于密封的材料宜与电流变体的 材料特性相近或差异不大，这样既可以确保流变体夹层结构在电场作用下具有较宽的控制和调节范围，同时也有利于流变体复合结构设计目标的控制和 实现。 4)利用ABAQUS软件建立了密封夹层板结构的动力学模型，采用第二章中得到的流变材料和封边材料模型对夹层板动力学特性进行了数值仿真。计算 结果说明该模型能够较真实地反映电场作用下电流变液夹层板结构动力特性，计算结果与测试结果基本吻合。研究结果表明：借助ABAQUS软件强大的材 料非线性分析平台，可以方便地将流变材料、封边材料等结构部件的复杂材料特性进行整合，提高了计算效率和分析精度；电流变夹层板结构动态特性 对激励幅值变化的敏感度同时受外加场强和结构刚度的影响，场强增大，敏感度上升，刚度愈小，敏感度越大。 5)设计了电流变液夹层密封圆柱腔体声振响应实验，通过实验研究了电场控制下内部高频声激励作用时夹层圆柱腔体的振动响应特性及其外部声响 应变化。声振实验结果显示，电流变效应对复合结构的振动在不同的频率段可产生抑制和放大的不同作用，说明在高频激励环境下，电流变复合结构仍 具备较强的振动控制能力；同时，腔体外部的声压并未因电流变效应的作用发生明显改变，表明电流变效应对高频噪声没有明显控制效果。 4.期刊论文 马会茹.官建国.卢国军.袁润章 电流变液及其应用 -现代化工2004,24(5) 电流变液是一种由纳米至微米尺寸的介电粒子分散在绝缘油中组成的一种新型智能材料,在外加电场的作用下其流变特性可以发生快速、显著、可逆 的变化.对电流变液材料的种类,电流变液在汽车工程、减震、抗震、生物医学上的应用,以及制约电流变技术应用的关键性问题等进行了简要的介绍. 5.期刊论文 瞿伟廉.李卓球.姜德生.官建国.袁润章 智能材料-结构系统在土木工程中的应用 -地震工程与工程振 动1999,19(3) 本文在简要说明了"智能材料-结构系统”的基本概念和它在上木工程结构中的两种应用途径的基础上,较为系统地介绍了光纤材料、碳纤维混凝上、 愈合管道、形状记忆合金、ER电流变液、MR磁流变液和PE压电材料等七种智能材料(或器件)在上木工程结构中的应用. 6.学位论文 唐宏 电流变液与压电陶瓷复合的自适应阻尼器设计和性能研究 1997 从智能材料和智能结构的思想出发,用电流变液作为控制振动的执行器,用压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics)作振动响应器和提供电场使电流变液 固化的激励器,设计出两种具有自适应结构特点的阻尼减振器(弹簧直压式和带有传力机构式).其自适应特点是:压电陶瓷响应振动产生高电压,用这个高 电压直接去激励ER流体,ER流体表现粘度相应增加,从而实现了振动的控制.随着振动频率、振幅的变化,ER流体的响应改变,形成对振动的自适应控制.同 以往的ER阻尼减振器相比,这种阻尼减振器省去了外部的高压电源.对该阻尼减振器振动行为的计算表明:外界振动的策动力提高,阻尼器的减振效果也提 高;外界是激励频率提高,阻尼器的减振效果降低.在阻尼减振器振动测试实验中也观察到了减振效果随激励振幅变化的现象. 7.期刊论文 李斌.杨智春.张开达 电流变液力学特性的实验研究 -机械科学与技术2003,22(3) 电流变液的力学性能参数是评价电流变液的性能指标之一,也是含电流变液智能结构建模所需的基本参数.对电流变液这种新兴的材料,其力学参数测 试尚没有成熟统一的方法.本文研制了一系列电流变液力学参数专用测试仪器,并对所研制的电流变液的基本力学参数进行了系统的测试.结果表明,电流 变液的拉伸模量和剪切模在屈服转捩前后有明显差异.本文所研制的电流变液在应力应变曲线上无过冲现象,其强度满足一定条件下的工程应用要求. 8.学位论文 刘红军 电流变技术在结构振动控制中的应用 1999 电流变液是一种智能材料，电流变学研究电流变液的粘度、模量和屈服应力等力学性能随电场作用而发生变化的规律和机理，应用电流变效应实现 结构振动控制是该次研究的目的。为此，研制了多种不同类型的电流变液及电流变阻尼器，并将它们用于几个典型工程结构振动控制的理论及实验研究 ，为推广电流变液在智能结构工程中的应用进行基础性探索。 9.期刊论文 李全禄 压电陶瓷、复合电流变液及其集成结构实验 -西北大学学报(自然科学版)2001,31(4) 简要报道了高性能压电陶瓷FD3-PZT (或FD4-PZT)、复合电流变液及其集成智能结构的设计、制作和初试的情况. 同时,也指出了它们的一些重要用 途. 10.期刊论文 陈爱军.廖昌荣.余淼.陈伟民.黄尚廉 电磁流变液流变特性测试技术的研究进展 -机械工程材料 2005,29(1) 电流变液和磁流变液由于其良好的可控性能和力学性能而在工程上具有广阔的应用前景.电流变液和磁流变液流变特性的测试是电流变技术和磁流变 技术的一个重要方面.简要介绍了电流变液和磁流变液及其流变特性测试的主要参数,阐述了各种测试方法的原理及其测试仪器和试验装置,分析了各种测 试方法的优缺点,探讨了测试技术中存在的一些问题. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200601002.aspx 授权使用：哈尔滨工业大学(hebgydx)，授权号：69c65b4b-49df-4747-b3e9-9edd010f3a47 下载时间：2011年5月8日