磁流變阻尼器內流體狀態(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，目前已成功應用于建筑、橋梁、航空航天、車輛、醫(yī)療等領域，具有廣闊的應用前景。磁流變阻尼器作為一種結構保護裝置，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、稠化；高溫易引起磁流變阻

2、尼器密封件老化而導致磁流變液泄漏,過高速率或加速度的振動沖擊易造成結構的損壞。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、微能量采集技術、低能耗集成電路和無線通信技術獲得了飛速地

3、發(fā)展，這為實現(xiàn)磁流變阻尼器內部狀態(tài)健康監(jiān)測提供了技術支撐。為此，本論文在國家自然科學基金重點項目的資助下，在磁流變阻尼器內流體狀態(tài)參數(shù)壓強和溫度理論分析的基礎上，研究磁流變阻尼器的健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。論文的主要研究內容和結果如下：
　　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部壓強提供理論基礎。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)學物理方程，并求取相應的速度解。在速度解的基礎上，結合不可壓縮磁流變液的連續(xù)性、塞流區(qū)受力平衡關系和系統(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)流動對應流體慣性量對磁流變阻尼器阻尼特性的影響，試驗結果表明磁流變液屈服后非穩(wěn)態(tài)流動對應力-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)流動分析結果比不計流體慣性量的準靜態(tài)分析結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。兩種溫升模型對應溫度解的結構相似，且由研究對象的質量熱容吸熱量可知任一時刻磁流變阻尼器的實際溫度應位于兩種溫升理論模型所確定的溫度區(qū)間范圍內。實際應用中，根據(jù)磁流變阻尼器的結構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的質量熱容吸熱量進行加權平均來求得精確的溫度解，并對之進行了試驗研究。
　　3)

7、設計了一種磁流變阻尼器內部流體能的能量采集裝置，解決了磁流變阻尼器內部狀態(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)-磁-電轉換特性進行了理論與試驗研究，研究表明理論與試驗結果吻合性較好。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構設計和密封、能量管理電路的信號調節(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