改性磁敏橡胶支座的多场耦合自感知性能研究

论文摘要

面向复杂环境（力、磁、位移、电场耦合作用）的信号监测与感知能力是智能装备系统（车辆、机械装备系统等）实现快速自适应防护的前提条件,在健康监测、振动/冲击防护领域都具有重要的研究价值。基于磁敏橡胶（也称磁流变弹性体,Magnetorheological elastomer/MRE）设计的缓冲隔振系统,因其刚度、阻尼在磁场下可控,已被广泛的研究与应用。已有研究表明,MRE由微米量级的（磁性）导电粒子分散在聚合物基体中,会表现出各向异性的电学特性,并且对外界刺激（如磁场、力或温度）很敏感,具有作为传感器的潜力。然而面对复杂环境如何兼顾MRE隔振系统的传感与快速自适应响应能力,目前国内外尚无有效的解决方法。因此,本文将探索基于MRE传感性能的自感知振动控制系统,有望为面向复杂环境的快速自适应防护提供理论方法与实验支撑。由于MRE是一种复合材料,其传感特性也会受到执行状态的影响,涉及智能装备系统在复杂振动下的力-磁耦合压阻/磁致电阻效应、跨尺度的宏微观传感机理探索等关键科学问题和技术难题,具有重要的学术价值与工程借鉴意义。为此,本文以研究宏微观MRE支座的传感机理为切入点,设计出具有自感知功能的MRE系列和隔振支座原型,结合基础理论、仿真和实验对多场耦合下其传感与执行功能的综合效应进行了探索与研究。本文主要的研究工作如下:1.阐述了MRE对于振动控制研究的重要学术价值和工程意义,综述了MRE在隔振与传感领域的研究现状,明确了研究振动环境下智能装备系统自感知技术的应用前景和迫切需求,并提出了本文主要的研究工作。2.针对多场耦合复杂工况（力、磁、位移、电场）下MRE支座感知机理尚不明确的理论难题,本文结合“结构-支座-基础”宏观尺度和微尺度分析法,从多场耦合的角度剖析了MRE支座感知机理;进一步基于隧道效应理论建立了MRE支座宏微观多场耦合自感知模型,通过模型分析得到宏微观参数对感知特性的影响,为设计出具有自感知自适应功能的MRE与支座结构提供了理论指导。3.研究并提升低铁粉体积分数的MRE的感知性能,是实现MRE隔振支座传感与执行集成的关键。本文通过改进MRE制备方法,探索MRE与多壁碳纳米管材料的复合效应,得到不同配比的MRE在磁场和载荷下的电阻特性。通过调控多壁碳纳米管的体积分数,可让MRE电阻从接近绝缘降至1kΩ以下;在压力（060kPa）作用下,改性MRE电阻变化最大可达到90%,且在磁场作用下具有刚度可调特性。实验结果表明,体积分数0.5%的碳纳米管就可以消除传统MRE电阻由铁粉体积分数决定的因素,极大的提升MRE的传感性能且不破坏隔振性能,为实现自感知MRE支座奠定了基础。4.基于机械、力学、电磁等多个方面的设计需求,提出自感知隔振支座的设计方案,从理论上阐述了结构参数对传感（灵敏度等）与隔振（磁场强度等）性能参数的影响;进一步采用COMSOL多场耦合（磁、力、电场）软件对不同结构参数的支座进行建模、仿真分析;建立综合考虑传感与隔振的结构优化模型,设计出具有自感知自适应功能的MRE支座原型结构,为自感知执行器件的结构设计与优化提供新的思路。5.为验证改性MRE支座在复杂环境下感知与执行的可行性,通过静态、动态、循环振动等定性和定量测试手段进行了多角度的力、磁电阻响应测试。通过大量的实验数据表明,改性MRE支座在实验测试中仍然具有较好的电阻变化率和线性度,当压力从0N变化到160N时,电阻变化率约为65%;具有连续、稳定和完全可逆的动态电阻信号,重复性较好。基于支座多场耦合自感知特性公式,对自适应隔振系统进行控制,位移比无控制状态减少了20%31%,为复杂环境下智能装备系统自感知技术提供了实验支撑,具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景与意义
•   1.2 磁敏橡胶隔振与传感技术研究概述
•     1.2.1 磁敏橡胶研究现状
•     1.2.2 磁敏橡胶在隔振领域的研究
•     1.2.3 磁敏橡胶在传感领域的研究
•   1.3 具有自感知功能的振动控制系统国内外研究现状
•   1.4 存在问题及本文主要研究内容
•     1.4.1 目前存在的问题
•     1.4.2 本文主要研究内容
•   1.5 本章小结
• 第2章 多场耦合下磁敏橡胶支座的自感知机理与模型研究
•   2.1 磁敏橡胶隔振支座的复杂工作环境分析
•   2.2 多场耦合环境对磁敏橡胶支座宏观性能影响分析
•   2.3 MRE微观多场耦合机理分析
•   2.4 基于宏微观多场耦合的磁敏橡胶支座自感知模型
•   2.5 支座自感知模型的相关因素分析
•   2.6 本章小结
• 第3章 改性磁敏橡胶的制备及压阻性能测试研究
•   3.1 具备传感功能的隔振型磁敏橡胶设计要求
•   3.2 磁敏橡胶样品的制备
•     3.2.1 实验材料
•     3.2.2 制备方法
•   3.3 不同组分磁敏橡胶压阻特性测试
•     3.3.1 压阻特性测试方法
•     3.3.2 压阻特性测试结果分析
•   3.4 改性磁敏橡胶的磁场可控性能研究
•   3.5 本章小结
• 第4章 磁敏橡胶支座多场耦合结构优化设计
•   4.1 支座结构设计方法
•   4.2 传感与隔振关键参数分析
•     4.2.1 传感关键参数分析
•     4.2.2 可控隔振关键参数分析
•   4.3 基于COMSOL的支座结构仿真分析
•     4.3.1 力、电、磁多场耦合支座建模与参数设置
•     4.3.2 传感特性仿真分析
•     4.3.3 磁场特性仿真分析
•   4.4 支座多场耦合结构优化模型计算
•   4.5 本章小结
• 第5章 磁敏橡胶支座多场耦合自感知性能实验研究
•   5.1 支座的加工制造与系统搭建
•     5.1.1 支座的加工制造
•     5.1.2 实验台架与方法
•   5.2 不同体积分数改性磁敏橡胶支座压力感知特性研究
•     5.2.1 不同体积分数改性磁敏橡胶支座压力感知敏感性研究
•     5.2.2 不同体积分数改性磁敏橡胶支座压力感知重复性研究
•   5.3 不同体积分数改性磁敏橡胶支座磁场感知特性研究
•   5.4 改性磁敏橡胶支座耦合感知特性研究
•     5.4.1 改性磁敏橡胶支座在力-磁耦合下的静态感知特性
•     5.4.2 改性磁敏橡胶支座在力-磁耦合下的动态感知特性
•     5.4.3 改性磁敏橡胶支座在力-磁耦合下的振动感知特性
•   5.5 改性磁敏橡胶支座自感知隔振效果及评价
•     5.5.1 改性磁敏橡胶支座自感知自适应隔振系统
•     5.5.2 可控隔振性能分析
•     5.5.3 自适应隔振性能实验及结果分析
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周梦娇

导师: 李锐

关键词: 改性磁敏橡胶支座,自感知特性,宏微观多场耦合理论,隔振系统

来源: 重庆邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 重庆邮电大学

基金: 国家自然科学基金项目“冲击载荷下智能复合式桥墩支座-阻尼系统的研究”(NO.11372366),重庆市杰青项目“多功能桥墩支座的自感知机理与小尺度实验研究”(cstc2014jcyjjq40004),重庆市研究生创新创业项目“自感知支座的设计与实验”(CYS17234)

分类号: O328;TB381

DOI: 10.27675/d.cnki.gcydx.2019.000855

总页数: 98

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