磁流变液夹层梁的动力学研究

论文摘要

智能材料结构是为适应现代航空、航天、电子、机械等高技术领域提出的高要求而发展起来的一类新型结构。磁流变液是一种智能材料,利用磁流变效应开发出来的产品具有无级调控、噪音低、响应速度快、结构简单可靠、能耗低,在航空、航天、土木、机械、汽车等领域有着巨大的应用潜力。磁流变液在外加磁场作用下,其物理性能——粘度、剪切模量、阻尼会发生快速、可控、可逆变化,将磁流变液与其他弹性材料进行复合,形成磁流变液夹层梁、板结构,通过改变磁场强度来控制夹层结构的刚度、阻尼等特性从而实现对结构振动特性的控制,这对于控制飞行器、汽车以及机械结构的工作性能有着重要的应用价值。为此,本文对磁流变液夹层梁结构的动力学问题进行了理论与试验研究,主要工作包括:1.将夹层梁结构中的磁流变液处理为线性粘弹性材料,应力——应变关系用复模量表示,建立了磁流变液夹层梁结构的弯曲振动模型,分析了磁流变液夹层梁结构在简支和悬臂两种边界条件下的振动特性。2.提出了磁流变液非连续分布的夹层梁的结构形式和设计方法,得到了该种梁结构的固有频率、损耗因子、振型函数、动力响应与外激励频率及磁场强度间的关系。3.建立了磁流变液夹层简支梁有限元模型,分别形成了上下弹性层和中间磁流变液层的单元矩阵,推导了磁流变液夹层简支梁的动力学方程,分析了上下面板为铝材的磁流变液夹层简支梁的振动特性以及简谐激励下磁流变液夹层梁的动力响应,分析了不同磁场强度和磁流变层厚度对动力响应的影响。4.进行了磁流变液夹层悬臂梁、简支梁结构在不同磁场作用下的动力学实验研究,分析了磁流变液对夹层悬臂梁、简支梁结构振动抑制的效果及影响。本文的理论分析与试验结果吻合较好。随着外加磁场强度的增加,磁流变液夹层梁的固有频率和损耗因子均增大,振动响应明显减小,说明在外加磁场作用下磁流变液对夹层梁有显著的振动抑制作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁流变液夹层结构
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 本文主要创新点
• 第二章 磁流变液
• 2.1 引言
• 2.2 磁流变液的组成
• 2.3 磁流变液的特性
• 2.3.1 可逆可控
• 2.3.2 屈服应力大
• 2.3.3 温度范围宽
• 2.3.4 稳定性好
• 2.3.5 粘度低
• 2.3.6 耗能低
• 2.3.7 响应快
• 2.4 本构关系
• 2.5 流变机理
• 2.6 磁流变效应的影响因素
• 2.7 磁流变液的应用
• 2.8 本章小结
• 第三章 磁流变液夹层梁的弯曲振动解析分析
• 3.1 引言
• 3.2 夹层结构及分析方法
• 3.3 磁流变液的分析模型
• 3.4 磁流变液夹层简支梁的弯曲振动模型
• 3.4.1 振动微分方程
• 3.4.2 中性层位置
• 3.4.3 剪切参数
• 3.4.4 夹层梁的复弯曲刚度
• 3.5 任意边界条件磁流变液夹层梁的弯曲振动
• 3.5.1 振动微分方程
• 3.5.2 夹层梁的振动特性
• 3.5.3 边界条件
• 3.6 磁流变液非连续布置夹层梁的振动特性分析
• 3.6.1 磁流变液非连续布置夹层梁分析模型
• 3.6.2 边界条件
• 3.6.3 动力特性
• 3.7 算例分析
• 3.7.1 简支梁模型与任意边界模型计算结果比较
• 3.7.2 计算结果与实验结果比较
• 3.8 本章小结
• 第四章 磁流变液夹层梁动力学有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 动力学有限元模型
• 4.2.1 运动关系
• 4.2.2 形状函数
• 4.2.3 单元矩阵
• 4.2.4 动力学方程
• 4.3 磁流变液夹层梁的振动特性
• 4.3.1 解析法
• 4.3.2 模态应变能法
• 4.4 数值算例
• 4.4.1 计算结果
• 4.4.2 夹层梁频率和损耗因子的影响因素分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁流变液夹层梁的动力响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 解析法分析
• 5.3 有限元分析
• 5.4 算例分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 磁流变液夹层梁动力学特性实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验模型
• 6.3 实验装置
• 6.4 实验方法
• 6.5 实验结果分析
• 6.6 实验误差分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文