高冲击载荷、高剪切作用下磁流变脂减振器的特性及控制方法研究

To solve the settlement problem of the Magentorheological fluid utilized in the engineering applications for absorbing vibrations and impacts, a new type of smart materials— Magnetorheological Grease (MRG) with distinguished advantages such as, no settlement, simple sealing, large shear stress, etc is proposed to achieve the goals of controllable damping effects under high impact loading and high shear rate. Combining the methods of theoretical analysis, numerical simulation and experimental tests, the mechanism and rheological properties of the MRG is analyzed. Furthermore, the relationships of magnetism-yield stress-viscosity and temperature-yield stress-viscosity, shear thinning mechanism and turning point of flow rate under high impact loading and high shear rate are given a comprehensive study. A buffer dynamic model is proposed based on a designed anti-impact device using MRG. For the characteristics of the shock and impact, the maximum response of peak force under the highest impact force is defined as the optimization goal and the control strategies of the proposed MRG device is investigated by combining the anti-vibration system with robust control theory in both time and frequency domain. The rheological properties of the MRG under high shear rate is carried out by the self-built impact platform and the hardware-in-loop simulation system is utilized to validate the effectiveness of the proposed control strategies.

针对目前磁流变液在工程抗振冲应用中存在沉降等问题，利用磁流变脂材料的无沉降性且密封结构相对简单、剪切应力大等优点，将其应用于高载荷、高剪切环境中，以利用磁流变材料的可控性达到减振缓冲目的。采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的研究方法，对磁流变脂的流变机理及特性进行分析，开展高载荷、高剪切速率下磁流变脂的磁-屈-粘和温-屈-粘特性、剪切稀化机理以及流速转捩点等流变特性综合研究。完成磁流变脂抗振冲器件的设计，并建立其缓冲动力学模型；针对冲击载荷特点，将优化指标定为可能受到的最大冲击作用下的最大响应峰值，并结合抗振冲系统时域与频域内的鲁棒控制理论，研究磁流变脂抗振冲器件的缓冲控制方法。在高冲击试验台架上研究磁流变脂在高剪切速率的流变特性，利用半实物仿真平台验证抗振冲控制方法的有效性。本项目研究不仅对高冲击环境下磁流变脂减振技术的发展提供理论指导，同时对抗振冲控制理论的进步起到推动作用。

提出将磁流变脂减振器应用于高冲击载荷、高剪切速率条件下的抗振冲减振系统中。研究磁流变脂在高速流动、多物理场耦合作用下的机理特性，提出基于磁流变脂相关减振器的抗振冲多学科集成与优化设计，并与抗振冲控制理论相结合，为解决磁流变脂抗振冲技术在高冲击、高剪切速率条件下的应用问题提供新的思路和方法。使用傅里叶-切比雪夫方法对磁流脂的非线性粘弹行为进行定量表征，通过该方法所获得的非线性粘弹系数可以很方便的获取磁流变脂诸如周期内或周期间的应变变硬/应变变软和剪切增稠/剪切变稀等信息，避免了当前磁流变脂粘弹性表征会丢失重要信息的问题。MRG-70在较小应变幅值下，如0.01%，几乎只呈现弹性特征，而当应变幅值上升到10%时，此时MRG-70的粘弹性主要由弹性变形和粘性耗散组成。在应变幅值上升到较大值后，如100%，MRG-70的粘弹特性主要取决于粘性流动。在非线性粘弹区间内，MRG-70从无磁场到有外加磁场下的非线性粘弹性响应由类型Ⅰ（周期间的应变变软，也即储能模量和耗能模量随着应变的增加而降低）变化到类型Ⅲ（周期间的弱应变超调，也即随着应变幅值的增加，储能模量不断减小，而耗能模量先增加后减小）。磁流变脂的周期内非线性弹性行为在无磁场下主要呈现应变变硬，而在有磁场下随着应变幅值的变化，呈现出应变变软和应变变硬的组合。使用橡胶主簧与基于挤压阀混合模式的磁流变阻尼器串联而成的新型悬置，该新型悬置输出的恢复力最大达17.8kN, 这使得磁流变悬置在大功率、重载发动机中应用成为可能。项目不仅对高冲击环境下磁流变脂抗振冲技术发展提供理论指导，同时对抗振冲控制理论的进步起到推动作用，对推动该技术在国民经济尤其是国防领域的应用有重要意义。