智能材料磁流變液垂直連續(xù)沖擊減振器理論與實(shí)驗(yàn)

樊富起

摘要：本文基于智能材料磁流變液沖擊減振系統(tǒng)的阻尼效應(yīng)與時(shí)域進(jìn)行了理論推導(dǎo)，將數(shù)值仿真和物理模擬試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行比對(duì)、研究沖擊減振系統(tǒng)對(duì)流變液體鋼性和柔性運(yùn)動(dòng)特性;系統(tǒng)固有頻率總能抑制系統(tǒng)的振動(dòng)得到揉性平衡諧振的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：磁流變液沖擊減振器;垂直連續(xù)減振系

中圖分類(lèi)號(hào)：TB535.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0073-02

0? 引言

磁流變沖擊減振器是利用磁流變液在自由沖擊體活塞電場(chǎng)與磁流變液諧振系反復(fù)磁力線碰撞產(chǎn)生的能量損耗和動(dòng)能量交換達(dá)到減振目的。由于其具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、控制較易、體積也較小且對(duì)安裝空間的要求也較低，目前不但用于飛機(jī)機(jī)翼的顫振抑制控制，而且也開(kāi)始了在精密的數(shù)控機(jī)床等沖擊減振器的應(yīng)用。近年汽車(chē)研究人員想把這種技術(shù)用于汽車(chē)減震和車(chē)身鋼度控制以及電動(dòng)汽車(chē)的反充電上，該項(xiàng)技術(shù)正在研究之中。本文將解析分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)研究磁流變沖擊減振器理論。

1? 磁流變沖擊減振系統(tǒng)響應(yīng)情況分析

圖1為力學(xué)模型。磁流變減振系由懸臂梁、減振器外殼組成。質(zhì)量為m的沖擊體活塞電場(chǎng)桿件放置于質(zhì)量為M的容腔內(nèi)，它們之間的縱向空隙為0.03mm。磁流變諧振系在外部簡(jiǎn)諧激振力Fsi（ωt）的作用在車(chē)架上將產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)產(chǎn)生的激振力足夠大，并且系統(tǒng)參數(shù)可以滿足某種條件時(shí)，傳感器將信號(hào)傳給中央處理器、沖擊體活塞電場(chǎng)將克服重力接通活塞磁場(chǎng)電源，磁流變液在容腔中作磁力運(yùn)動(dòng)，并和主質(zhì)量發(fā)生碰撞。

建模時(shí)采用以下假設(shè)：

①磁流變自由沖擊體活塞電場(chǎng)與減振器殼體的碰撞為瞬時(shí)彈性碰撞，滿足動(dòng)量守恒定律;②主系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，適用疊加原理;③系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磁流變本體處于沖擊狀態(tài)（沖擊體活塞電場(chǎng)懸空）或粘附狀態(tài)（沖擊體活塞電場(chǎng)與磁流變諧振體作絞接運(yùn)動(dòng)）。

2? 實(shí)驗(yàn)與仿真分析

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，懸臂梁為研究對(duì)象，懸臂梁的材質(zhì)為彈簧鋼板，懸臂梁的懸伸長(zhǎng)度可調(diào)，懸臂梁的尺寸為1000×50×5mm，E=2.057×1011Pa，ρ=7718kg/m3，懸臂梁的懸伸量為195mm。在懸臂梁的左端固定沖擊減振器，減振器殼體質(zhì)量為0.4176kg，沖擊體活塞電場(chǎng)的質(zhì)量為0.266kg，磁流變液0.65kg殼體容積350mml，把激振器固于實(shí)驗(yàn)裝置支架上，實(shí)驗(yàn)裝置的激振點(diǎn)位于沖擊減振器的正下方。有信號(hào)發(fā)生器置于TD4020型寬帶頻率響應(yīng)分析儀內(nèi)，將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的信號(hào)送至功率放大器，通過(guò)調(diào)節(jié)使之始終保持為簡(jiǎn)諧信號(hào)。通過(guò)頻率響應(yīng)分析儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，得到各頻率對(duì)應(yīng)的相頻、幅頻值。利用測(cè)得的幅頻值來(lái)估算共振頻率、阻尼比和留數(shù)，即估算模態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性就可以通過(guò)這些模態(tài)參數(shù)完整地描述出來(lái)了。

通常，一個(gè)系統(tǒng)的若干階模態(tài)振型的疊加可用來(lái)表示它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。若一定頻帶內(nèi)只有一個(gè)重要的模態(tài)，就可單獨(dú)確定該模態(tài)的參數(shù)。用電流變液質(zhì)量的阻尼變量系數(shù)來(lái)表示懸臂鋼板等效載荷，其二階系統(tǒng)的速度幅頻特性表達(dá)式為：

進(jìn)行擬和，擬和曲線如圖3所示。得到：A=2.44;fn=52.65;ξ=0.0041。

則給定激勵(lì)力F，減振器安裝處位移響應(yīng)可由A0=H（f）·F（2？仔f）獲得。

沖擊減振位移測(cè)量：

將沖擊體活塞電場(chǎng)放入減振器殼體，調(diào)整沖擊體活塞電場(chǎng)的沖程2h=1.5mm，測(cè)出減振器安裝處的位移。測(cè)試系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。

用毫伏表測(cè)出作用力的大小，而采集分析系統(tǒng)得出磁流變諧振系的位移響應(yīng)。

恢復(fù)系數(shù)的測(cè)量：

恢復(fù)系數(shù)需有實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在通常情況下，對(duì)于材料固定的物體，碰撞過(guò)程結(jié)束和開(kāi)始的速度大小比值是不變的，該比值為恢復(fù)系數(shù)，用k表示，電場(chǎng)阻尼活塞自高處向減振器低處下降，并在彈片上連續(xù)彈跳，此彈跳過(guò)程中的信號(hào)用聲卡采集到電腦，用任相鄰兩次碰撞的時(shí)間間隔算出碰撞恢復(fù)系數(shù)：。

用此法測(cè)出e=0.59。

沖擊減振器的減振效果定義為：1-A/A0，其中A為磁流變諧振系裝有減振器時(shí)的振幅，A0為磁流變諧振系統(tǒng)原來(lái)的振幅。

激振頻率的影響：激振頻率是影響減振效果的一個(gè)重要參數(shù)，取激振力F=6.17N，選用掃頻間隔選為1Hz的穩(wěn)態(tài)正弦手動(dòng)掃描激振，來(lái)測(cè)試懸伸端的響應(yīng)情況，繪出減振曲線，把該減振曲線與數(shù)值仿真計(jì)算獲得的減振曲線進(jìn)行比較。從圖5可以觀察到在該系統(tǒng)固有頻率附近減振效果是最好，當(dāng)實(shí)際產(chǎn)生的激振頻率偏離系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，減振效果很快降低，表明沖擊減振器對(duì)激振頻率是比較敏感的。

激振力幅值的影響：選系統(tǒng)的共振頻率作為激振頻率，改變激振幅度，來(lái)測(cè)試懸伸端的響應(yīng)情況，獲得圖6所示曲線，從圖上看出減振曲線變化平緩，即沖擊體活塞電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)減振效果并無(wú)太大影響，這對(duì)工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

3? 結(jié)論

①本實(shí)驗(yàn)和仿真減振曲線趨勢(shì)上基本上吻合，說(shuō)明智能材料（磁流變液）減振系統(tǒng)的響應(yīng)計(jì)算和數(shù)值仿真是正確的;②在電場(chǎng)接通后系統(tǒng)固有頻率總能有效抑制系統(tǒng)的振幅和振頻，且在落差大和差度小時(shí)減振效果最佳，因此更適應(yīng)于自激振動(dòng)系統(tǒng)，且總能保持最穩(wěn)定的時(shí)域;③共振頻率端、系統(tǒng)的減振效果對(duì)外激勵(lì)的幅值大小很敏感。

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