磁流變阻尼器內(nèi)流體狀態(tài)分析及自供能監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、磁流變阻尼器為一種半主動控制裝置，兼具被動控制的可靠性和主動控制的適應(yīng)性，且相比主動控制能耗又低，能夠有效降低或消除源自外界環(huán)境作用于被保護對象上的有害振動，目前已成功應(yīng)用于建筑、橋梁、航空航天、車輛、醫(yī)療等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。磁流變阻尼器作為一種結(jié)構(gòu)保護裝置，首先要保證自身運行狀態(tài)良好，具有較高的安全性，然而，在極限服役條件下，磁流變阻尼器存在一些安全隱患，如磁流變液溫度穩(wěn)定性差，長期靜置下可能出現(xiàn)板結(jié)、稠化；高溫易引起磁流變阻

2、尼器密封件老化而導(dǎo)致磁流變液泄漏,過高速率或加速度的振動沖擊易造成結(jié)構(gòu)的損壞。這將使其在服役期間可能出現(xiàn)性能衰減甚至失效，如不能及時進行處理將會造成災(zāi)難性的后果,為此，對磁流變阻尼器進行在線健康狀態(tài)監(jiān)測十分必要。
　　實時監(jiān)測磁流變阻尼器內(nèi)部狀態(tài)是一項極具挑戰(zhàn)性和意義的工作。在磁流變阻尼器密閉、動態(tài)的內(nèi)部空間存在傳感器的能量供給和信號輸出等難以解決的問題。近年來，傳感器技術(shù)、微能量采集技術(shù)、低能耗集成電路和無線通信技術(shù)獲得了飛速地

3、發(fā)展，這為實現(xiàn)磁流變阻尼器內(nèi)部狀態(tài)健康監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。為此，本論文在國家自然科學(xué)基金重點項目的資助下，在磁流變阻尼器內(nèi)流體狀態(tài)參數(shù)壓強和溫度理論分析的基礎(chǔ)上，研究磁流變阻尼器的健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1)研究磁流變液的非穩(wěn)態(tài)流動，為監(jiān)測磁流變阻尼器阻尼特性及其內(nèi)部壓強提供理論基礎(chǔ)。采用磁流變液的Bingham和 Herschel–Bulkley模型，針對磁流變阻尼器剪切、流動和混合三種工作模式，根

4、據(jù)流體 Navier-Stocks控制方程、磁流變液流經(jīng)阻尼通道的邊界條件和初始條件，分別建立磁流變液流經(jīng)阻尼通道的數(shù)學(xué)物理方程，并求取相應(yīng)的速度解。在速度解的基礎(chǔ)上，結(jié)合不可壓縮磁流變液的連續(xù)性、塞流區(qū)受力平衡關(guān)系和系統(tǒng)方程確定磁流變阻尼器活塞兩端壓差及其阻尼力，并歸納出不同激勵方式對應(yīng)磁流變液非穩(wěn)態(tài)流動速度解的求解方法。研究磁流變液非穩(wěn)態(tài)流動對應(yīng)流體慣性量對磁流變阻尼器阻尼特性的影響，試驗結(jié)果表明磁流變液屈服后非穩(wěn)態(tài)流動對應(yīng)力-速度

5、特性曲線的非線性隨正弦激振頻率增加更顯著，而受磁流變液屈服強度和稀化的影響不明顯，另外，磁流變液非穩(wěn)態(tài)流動分析結(jié)果比不計流體慣性量的準(zhǔn)靜態(tài)分析結(jié)果更接近試驗測試值。
　　2)研究磁流變阻尼器非穩(wěn)態(tài)傳熱理論模型，為實現(xiàn)其內(nèi)部溫度狀態(tài)監(jiān)測提供理論依據(jù)。根據(jù)磁流變阻尼器的溫升原理，提出兩種大振幅正弦激勵作用下磁流變阻尼器的溫升理論模型：一種以磁流變阻尼器中的磁流變液為研究對象，根據(jù)簡化的流體單元一維傳熱模型而建立，該模型適合筒壁較厚的磁

6、流變阻尼器，且估算溫度比實際值高；另一種以磁流變阻尼器整體為研究對象，采用集總參數(shù)法而建立，該模型估算溫度比實際值低。兩種溫升模型對應(yīng)溫度解的結(jié)構(gòu)相似，且由研究對象的質(zhì)量熱容吸熱量可知任一時刻磁流變阻尼器的實際溫度應(yīng)位于兩種溫升理論模型所確定的溫度區(qū)間范圍內(nèi)。實際應(yīng)用中，根據(jù)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)尺寸來選用合適的理論模型進行分析，也可通過對兩種理論模型對應(yīng)的質(zhì)量熱容吸熱量進行加權(quán)平均來求得精確的溫度解，并對之進行了試驗研究。
　　3)

7、設(shè)計了一種磁流變阻尼器內(nèi)部流體能的能量采集裝置，解決了磁流變阻尼器內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測的能量供給問題。該能量采集裝置主要由葉輪、電磁能量轉(zhuǎn)換器和密封裝置組成。理論分析能量采集裝置的效率，進而確定正弦位移激振條件下能量采集裝置的電功率，可知電功率與正弦位移激振幅值和頻率的三次方成正比。對能量采集裝置的機(流)-機(轉(zhuǎn))-磁-電轉(zhuǎn)換特性進行了理論與試驗研究，研究表明理論與試驗結(jié)果吻合性較好。同時，試驗研究了磁流變阻尼器勵磁電流對能量采集裝置性能的影

8、響，結(jié)果表明該影響不顯著；試驗研究了能量采集裝置的能量供給能力，結(jié)果表明能量采集裝置的采集能能夠滿足磁流變阻尼器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的能量需求。
　　4)研究磁流變阻尼器自供能監(jiān)測系統(tǒng)及其性能，進而實現(xiàn)磁流變阻尼器狀態(tài)自感知。該系統(tǒng)主要由能量采集裝置、能量管理電路和無線傳感模塊組成，分析了能量采集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封、能量管理電路的信號調(diào)節(jié)和自動充放電能力、無線傳感模塊的狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)傳輸能力，并通過試驗研究了磁流變阻尼器自供能監(jiān)測系統(tǒng)的