基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼器的机理及性能研究

磁流变液阻尼器具有阻尼可控、功耗低以及结构简单等优点，是振动控制领域的研究热点。目前高性能的磁流变液已可购买，但由于传统的磁流变液阻尼器采用腔体充满液体的设计方式，需要大量磁流变液和专用密封，导致价格昂贵，此外硬质的磁性颗粒极易进入到密封处间隙里，加剧磨损，从而成为制约磁流变阻尼技术推广的一个瓶颈。本项目基于磁流变液在磁场作用下产生的上升现象和正应力的理论研究基础，针对现有多孔海绵磁流变液阻尼器性能上缺陷，利用多孔泡沫金属相对海绵强度大、耐磨损和磁导率可调的优点，提出采用多孔泡沫金属替代海绵储存磁流变液，在磁场的作用下产生磁流变效应的方法，本项目将揭示磁流变液在磁场作用下的上升理论，建立磁流变液在磁场作用下产生的正应力计算模型，弄清磁流变液在多孔泡沫金属中的流动机理，并研制基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼器，对其性能进行分析和测试，本项目对于拓宽磁流变液阻尼器的应用领域具有极其重要的意义。

项目针对现有的磁流变液阻尼器造价昂贵、需要高精度密封等方面存在的不足，基于磁性流体动力学理论，研制了新型多孔泡沫金属磁流变液阻尼器，并对其产生磁流变效应的机理、结构优化及性能评价等方面展开的深入研究。基于该项目得到的重要研究结果如下：1）研究了磁流变液的正应力现象及上升高度模型，所用磁流变液在外加磁场为13mT时，将会产生不稳定现象，这也是在宏观上磁流变液产生磁流变效应的临界值；构建了磁流变液正应力的计算模型，静态模式下磁流变液产生的正应力FN与外磁场B与之间的关系满足FN =4027.5*B2.4，动态剪切模式下FN =7725*B2.23，且随着磁场的增加，达到峰值以后逐渐减小至恒定，该成果对国外学者H.see与P.Wong在磁流变液正应力的研究进行了有益的补充；2）研究了磁流变液在多孔泡沫金属内的流动机理，在无外加磁场的作用下，磁流变液流经泡沫金属后，其密度变化约为2.5%，可认为磁流变液性能不变，为泡沫金属磁流变液阻尼器的设计提供了实验依据；3）研究了不同泡沫金属对于磁流变液阻尼器性能的影响，研究表明，选用不导磁的泡沫金属铜可以产生更大的剪切阻尼力，主要是因为同等条件下，采用不导磁的泡沫铜时，磁流变液抽出量约为21%，而对于导磁性的泡沫金属铁和镍，由于电磁屏蔽效应的存在，抽出约为12%和16%，影响了产生的阻尼力；4）研制了泡沫金属磁流变液阻尼器，并对其力学和动态响应性能进行了研究，泡沫金属磁流变液阻尼器可产生的阻尼力达到150N，相比国外的海绵磁流变液阻尼器而言，可调范围提高了50%，并首次研究了多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的动态响应，产生阻尼力的时间约为65ms，通过对结构进行优化设计，经过优化设计后的器件在力学性能上提高到162N，动态响应时间上提高到56ms. 5）研究了外加电流、剪切速度以及剩磁对泡沫金属磁流变液阻尼器性能的影响，以泡沫铜为例，产生阻尼力的临界磁感应强度为23.6mT，和传统磁流变液阻尼器相比，泡沫金属型的需要增加磁流变液从泡沫金属内部的流出时间，因此响应时间也相应增加；随着电流的增加，阻尼力逐步达到稳态值；而随着剪切速度的增加，多孔泡沫金属磁流变液阻尼器的阻尼力变化并不明显。对于剩磁，随着实验次数的增加，阻尼力呈逐渐增加趋势，而且实验时间越长，阻尼力增加的幅值越大，表明剩磁对阻尼力的影响较大。