基于铁磁流体第二类悬浮特性动力吸振器的理论与实验研究

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铁磁流体是一种具有磁学特性以及流动特性的新型功能材料,其独特的悬浮特性广泛应用于振动控制领域。相比于传统的动力吸振器,铁磁流体动力吸振器对惯性力敏感,没有金属元件的疲劳,可以更为有效的对航天器中太阳能帆板等长直挠性元件的低频率、小振幅的振动进行控制。因此,本文基于铁磁流体第二类悬浮特性,设计了一种新型的铁磁流体动力吸振器,并研究了该铁磁流体动力吸振器中刚度系数对其减振性能的影响。本文的具体研究工作如下:  (1)建立了该铁磁流体动力吸振器的二自由度振动模型,并基于磁荷模型,对该铁磁流体动力吸振器内部的磁场分布进行了理论推导;  (2)提出了该铁磁流体动力吸振器的设计方案。通过理论计算和静磁场仿真两种方式,对比了不同磁极排布方式下空间磁场分布及永磁体之间的磁力,对理论模型的正确性进行了验证,并以此为依据选取了永磁体的磁极排布方式,从而确定了惯性质量块和壳体的结构及尺寸参数;  (3)通过实验对铁磁流体的磁化特性进行了标定,研究了铁磁流体的粘度随磁场强度的变化规律。利用流场与磁场耦合仿真研究了铁磁流体的粘度和表面张力系数对铁磁流体液面分布的影响规律。研究结果表明,粘度及表面张力系数对稳定状态时铁磁流体液面分布的影响可以忽略不计,并且铁磁流体液面轮廓与磁感应强度的等值线相重合。对不同几何参数下铁磁流体的液面分布情况进行了观察,得到了惯性质量块的三种悬浮状态;  (4)推导了惯性质量块受到的竖直方向作用力和回复力的计算公式。探讨了几何参数对惯性质量块受到的竖直方向作用力的影响规律,得出了惯性质量块的悬浮高度。根据悬浮高度,对惯性质量块受到的回复力进行了测量,得到了铁磁流体动力吸振器的刚度系数,研究表明随着铁磁流体注入量的减小,端面间隙的增加,铁磁流体动力吸振器的刚度系数减小;  (5)研究了几何参数和初始振幅对铁磁流体动力吸振器减振性能的影响规律。研究结果表明,在所选取的参数范围内,当端面间隙为38mm、每块永磁体的铁磁流体注入量为5.5g时,铁磁流体动力吸振器减振性能达到最优值,其衰减百分比为93.69%。
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