磁性液体阻尼减振器动力学建模及实验

　　引　言

　　磁性液体是一种由包覆有表面活性剂的纳米铁磁性或亚铁磁性颗粒分散于液态载液中形成的稳定的胶态悬浮液。在磁性液体应用于实际之初,人们就提出了将磁性液体应用于阻尼的设想[1],后来,K.Raj和R. Moskowitz于1980年综述了磁性液体阻尼技术的诸多应用[2]。之后,应用磁性液体的阻尼器被发展为多种类型。1987年,Katsuto Nakatsuka等人提出了一种活塞式磁性液体阻尼器[3],并将这种阻尼器与空气弹簧组合用来控制载物台的振动,Toyohisa Fujita等人将电流变液与磁性液体混合代替活塞式阻器中的磁性液体[4,5],发现改进后的阻尼器可阻尼更宽频率范围的振动。Hideaki Fukuda等人则在活塞式磁性液体阻尼器的外部安装电磁铁来达到对振动进行主动控制的目的[6,7]。1998年,Ab?Masato等人提出了调谐磁性液体阻尼器[8],后来由Yasuhiro Ohira等人建立了这种阻尼器的分析模型[9,10],并经仿真和实验验证了它的有效性。2002年,V.G.Bashtovoi提出了一种磁性液体动力吸振器[10],发现它最适用于阻尼小振幅(小于1 mm)和小频率(小于1 Hz)的振动。最近几年,人们为了减小阻尼过程中的生热,提了磁性液体胶体阻尼器[12],为了将阻尼器应用于微型机械,研究了多孔弹性片状磁性液体阻尼器等类型[13]。到现在,有的性液体阻尼器已经应用于机械、仪器仪表和航天等领域中,有的则还处于理论分析阶段,但在阻尼器件中作为支撑和阻尼液仍然是磁性液体最具潜力的应用之一。

　　本文针对要求结构紧凑和能量耗散较小的场合,提出另外一种磁性液体阻尼减振器,建立这种减振器的动力学模型,并实验验证模型的有效性。

　　1　磁性液体阻尼减振器工作原理

　　如图1所示,磁性液体阻尼减振器由圆柱形非磁性外壳,充满在外壳内的磁性液体以及浸没在磁性液体中的圆柱形永磁体组成。如果忽略永磁体的重力,根据磁性液体的第二类悬浮原理[14],永磁体将远离外壳内壁,悬浮在磁性液体中央。使用时将外壳与被减振的物体固定,外界的振动将引起永磁体与外壳间的相对运动,从而在磁性液体内部产生具有速度梯度的流动,这样就可以依靠液体的粘性耗能原理耗散能量。

　　本文中为了研究简便,用一端固定,另一端自由的弹性悬臂梁产生自由振动,梁的示意图和建立的坐标系如图2所示。将未变形时梁的轴线,即各截面形心连成的直线取作y轴,将梁的对称平面内与y轴垂直的向取作x轴。梁在对称平面内作弯曲振动,不考虑剪切变形和截面绕中性轴转动对弯曲振动的影响,梁的轴线只有横向位移x(y,t),t为时间变量。阻尼器安装于梁的最低端,而且圆柱形阻尼器的轴线沿振动方向。