温度效应下MR阻尼器的力学性能研究与试验

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MR阻尼器作为一种性能优良的半主动减振控制器件,广泛应用于海洋工程、桥梁结构、船舶等领域。但在复杂的海洋工程环境中,阻尼器的温度效应将严重影响阻尼力学特征和减振效果,磁流变液泄漏和灌装工艺技术将改变预期阻尼动力性能,导致控制系统偏离目标。本文以提高 MR阻尼器力学性能和稳定性为目标,探究温度效应下 MR阻尼器力学性能影响规律与作用机理,开展 MR阻尼器力学性能试验、动力学建模、温度场仿真,以及灌装工艺技术等研究:  首先,用试验方法研究温度效应对MR阻尼器力学特征的影响。基于阻尼器的工作原理,搭建以力学性能动静试验机和温度测控系统为主体的综合试验平台,对温度效应下力学与热学规律进行了试验分析。考察了阻尼力、示功图与耗散能量三个力学性能指标随温度、电流的响应规律,以及持续工作时阻尼器表面温度的变化规律。结果表明,随着阻尼器温度升高,最大输出阻尼力下降、示功图面积减小、能量耗散下降;在0~80℃温度内,输入0~1A不同励磁电流,输出阻尼力变化率随励磁电流增大而衰减,减小率为57.6%~16.2%,能量耗散的衰减率均为23.81%。  其次,建立温度效应下阻尼器动力学仿真模型及比较分析研究。基于 ANSY S系列软件,对 MR阻尼器的工作过程进行了温度效应下的动力学仿真建模,通过数据拟合建立粘温、屈服应力等特征方程,对粘滞阻尼力与库伦阻尼力分别建立CFD和FEM模型进行仿真,分析研究了温度对阻尼力影响的变化规律,并与力学性能试验所得数据进行对比验证。结果表明,建立的仿真模型较为准确地描述了阻尼动力学特征,相对误差为0.39%~2.85%;当温度从-20℃上升至120℃时,最大输出阻尼力从0.427kN/℃减小至0.041kN/℃;温度对 MR阻尼器力学特征影响主要是改变了输出粘滞阻尼力,其粘温特性可用指数函数进行表达。  再次,仿真求解阻尼器工作时的瞬态温度场及比较分析研究。基于阻尼器能量转化分析和计算热学参数,建立 MR阻尼器瞬态温度场的仿真模型,应用 FL UENT软件,对 MR阻尼器磁-电-流多场耦合瞬态温度场分布以及变化特征进行仿真分析,并将温度场仿真结果与实际温度试验进行对比验证,讨论了综合散热系数对温度变化影响。结果表明,瞬态温度场呈现以活塞为中心向两端盖递减的梯度分布,阻尼器内外壁相对温度差小于1.5%;温度场仿真与试验实测值具有良好拟合效果,相对误差小于6%;综合散热系数从7.06增加到30.11W/m2℃时,工作时间5000s,阻尼器温度由115℃降到87℃,对温度效应产生较大影响。  最后,分析磁流液泄漏量及灌装方法对阻尼器力学性能的影响。基于流体力学的基本理论,计算分析了温度对磁流液泄漏量的影响;搭建了一种基于真空灌装法的灌装工艺平台,并进行磁流液灌装试验;分析了灌装过程或泄漏状态下阻尼器缸内气体状态以及对力学性能的影响,量化对比分析了不同灌装方法对阻尼器力学性能的影响效果。结果表明,真空灌装法可实现磁流液稳定、有效的灌装效果,比常压重力灌装法增加磁流液6.9%,示功图饱满度增加25.4%。磁流液泄漏会使示功图畸变,输出阻尼力波动增大;温度升高会使磁流液泄漏量呈指数函数上升,当温度从-20℃到120℃变化,泄漏量从7.48296×10-6 ml/h增加到1.23055×10-4ml/h,增幅达两个数量级。
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