基于铁磁流体第一类悬浮特性的新型动力吸振器研究

来源 :北京交通大学 | 被引量 : 9次 | 上传用户:ZNZXCTH
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随着我国载人航天事业逐步进入空间站建造阶段,太阳能帆板、天线、柔性机械臂和热辐射器等柔性外伸结构的相关振动问题日益突出。而铁磁流体动力吸振器由于结构简单、可靠,寿命长,对惯性力敏感,不消耗电能,而且不存在金属弹性元件的疲劳问题,非常适合用于解决此类振动问题。为了克服传统铁磁流体动力吸振器由磁场或磁性材料的干扰而引起的失效问题,本文根据铁磁流体的第一类悬浮特性,设计了一种新型的铁磁流体动力吸振器,并从理论、仿真和实验三个方面对该铁磁流体动力吸振器进行了如下研究:  (1)建立了铁磁流体动力吸振器的动力学模型,根据主系统的阻尼系数,依据最优公式,确定了惯性质量块的质量为0.208kg、弹性元件的最优刚度系数为9.41N/m和阻尼元件的最优阻尼系数为0.517kg/s。  (2)完成了铁磁流体动力吸振器中各关键部件及总体结构的设计,并得到了各结构尺寸所需满足的数学关系。在设计过程中,给出了确保惯性质量块达到稳定悬浮的必要条件,推导了永磁体在安装导磁罩后的磁场方程,利用COMSOL软件的静磁场仿真对永磁体和导磁罩的尺寸参数进行了优化,并通过实验对仿真结果的合理性进行了验证。  (3)针对地面和太空两种环境,建立了惯性质量块在轴向和径向所受到的悬浮力的力学模型。该力学模型包含了铁磁流体注入量、磁场强度、惯性质量块和壳体的几何参数的影响。根据该力学模型,对惯性质量块在地面和太空两种环境下的力平衡和力矩平衡进行了分析,得到了影响惯性质量块的悬浮稳定性的因素,探讨了惯性质量块在地面环境下的悬浮状态和悬浮过程。  (4)通过搭建实验台,对不同结构参数的铁磁流体动力吸振器中惯性质量块在轴向和径向的悬浮力进行了测量,得到了在地面和太空两种环境下径向悬浮力满足最优刚度时铁磁流体动力吸振器对应的结构参数。对径向悬浮力的线性度进行了考察,发现在地面环境下径向悬浮力的线性度最大达到了17.84%,而在太空环境下,径向悬浮力的线性度最大仅为4.49%。  (5)利用COMSOL软件对铁磁流体动力吸振器中铁磁流体及磁场的分布进行了仿真,仿真结果显示,铁磁流体的自由界面与等磁场线之间具有很高的吻合度,该结果说明重力和表面张力对铁磁流体自由界面的影响可以忽略不计。  (6)对铁磁流体的磁粘特性进行了分析,通过实验对所选用的铁磁流体在磁场与涡量垂直情况下的粘度进行了测量。推导了铁磁流体的流场函数,从而求出了惯性质量块所受到的粘性剪切力。推导了惯性质量块在阶跃力响应下的传递函数,并以此为依据搭建了实验台,对铁磁流体动力吸振器在不同环境和参数下的阻尼系数进行了测量,其中与最优阻尼系数最接近的值为0.54kg/s。  (7)利用铜板的自由振动,对铁磁流体动力吸振器在不同初始振幅扰动下的减振特性进行了研究。在地面环境下,对于所选用的铁磁流体动力吸振器,其理论计算结果与实验测量结果的符合度较高,且振动衰减的时间百分比的测量值在94.7%以上,最高可达97.73%。而对于太空环境下所选用的铁磁流体动力吸振器,其振动衰减的时间百分比的理论计算值在98.75%以上,最高可达99.46%。
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