失重环境下新型磁性液体阻尼减振器的理论及实验研究

We firstly put forward a new kind of magnetic liquid damper which is especially suitable for the weightless environment in the world. The damper has some merits such as simple structure, small volume, light weight, long life, no energy consumption and good reduction vibration effect. It has high academic value and wide applications.And it may be used both in the weightless environment and the vibration that has low frequency and small amplitude on the ground. In theory, we will take the damper as the research object, set up a mathematical model including the physical and geometrical parameters of magnetic liquid, permanent magnet and the shell of damper ,study the viscous-temperature effect, magnetic-viscous effect and aggregation of magnetic particles of magnetic liquid within the damper, set up the energy dissipation formula,and finally set up the design method of magnetic liquid damper. In numerical analysis, we will calculate the heat and the distribution of temperature. In experiments, we will design and set up a magnetic liquid damper test-bed and study the influence of factors such as the injection quantity of magnetic liquid, physical parameters, the material and the shape of the permanent magnet and the shell of damper on reduction vibration effect and verify the theoretical analysis.

申请者在国内外首次提出了一种特别适用于失重环境下减振的新型磁性液体阻尼减振器。该种减振器具有结构简单、体积小、重量轻、寿命长、不消耗能量、减震效果好等优点，有着很高的学术价值和广阔的应用前景，它不仅适用于失重环境，而且也适用于地面低频小振幅振动。本课题拟在理论上，以磁性液体阻尼减振器为研究对象，建立包含磁性液体、永久磁铁和减振器外壳各个物理参数和几何参数的数学模型，研究在减振器工作条件下磁性液体减振器内磁性液体的粘温效应、磁粘效应及磁性液体磁性颗粒的凝聚规律，建立磁性液体阻尼减振器的能量耗散公式，最终建立磁性液体阻尼减振器的设计方法；在数值分析方面，计算磁性液体阻尼减振器在不同振动条件下，磁性液体产生的热量及温度分布；在实验方面，设计并建立磁性液体阻尼减振器实验台，研究磁性液体的注入量、物理参数、永久磁铁的种类及形状、外壳的材料及形状对减振器减振效果的影响，并验证理论分析的正确性。

本课题针对航天器在失重环境下所面临的振动问题，对磁性液体阻尼减振器进行了研究，使其能够有效抑制这些振动。本课题从理论方面，建立了包含磁性液体、永久磁铁和减振器外壳各个物理参数和几何参数的数学模型，推导了磁性液体减振器内部磁性液体自由界面的分布方程，建立了磁性液体阻尼减振器的能量耗散公式，提出了磁性液体阻尼减振器的设计方法。在数值分析方面，根据格子- Boltzmann方法，提出了在离散狄拉克函数框架下处理Neumann边界条件的浸没边界法和流体粒子相互作用的改进动量交换法两种数值算法。此外，对六种典型的流体问题进行了数值计算，并完成了磁性液体液滴的数值模拟。在实验方面，利用化学共沉淀法，通过改进制备工艺，制备了γ-Fe2O3磁性纳米颗粒。利用Zn和Co对γ-Fe2O3磁性纳米颗粒进行包覆，形成了复合磁性纳米颗粒，改善了γ-Fe2O3磁性纳米颗粒的性能参数，实验表明FeCl2溶液浓度和NaOH溶液浓度对复合磁性纳米颗粒的成形过程有重要影响。提出了一种新的氟碳化合物基磁性液体的制备方法。通过表征所制备的氟碳化合物基磁性液体的性能验证了该制备方法的有效性。利用磁流变仪对不同种类的磁性液体的剪切稀化、磁粘特性、粘温特性、动态粘弹性和静态粘弹性进行了系统性研究，得到了温度、磁场强度、剪切速率对磁性液体流变学特性的影响规律。设计了四种不同结构的磁性液体阻尼减振器，通过搭建不同类型的实验台，对磁性液体阻尼减振器中惯性质量块所受到的悬浮力和阻尼力进行了测量，并研究了各物理参数对减振器减振效果的影响规律。通过这些研究，申请者所设计的磁性液体阻尼减振器最高减振效率可达97.73%，能够满足航天领域的减振需求，为解决我国航天器的相关振动问题提供了重要参考。