工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ) 第2版 課件 第10、11章 顆粒阻尼技術(shù)、振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)

《工程振動(dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第10章顆粒阻尼技術(shù)第10

章顆粒阻尼技術(shù)10.1引言10.2沖擊阻尼技術(shù)10.3顆粒阻尼技術(shù)10.4應(yīng)用與研究進(jìn)展10.5工程應(yīng)用實(shí)例231456710.1引言

10.1引言為了解決在極端惡劣條件下(高溫、極寒、高壓、油污以及酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境)工作的結(jié)構(gòu)寬頻振動(dòng)控制問題,研究和發(fā)展新型被動(dòng)減振技術(shù)就變得十分必要和迫切顆粒阻尼以優(yōu)良的減振效果以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)施、適用于惡劣環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn),在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用,并取得了良好的效果為了便于更好地理解和掌握顆粒阻尼技術(shù),本章將首先對(duì)沖擊阻尼技術(shù)進(jìn)行概述,然后重點(diǎn)對(duì)顆粒阻尼技術(shù)的分類及其減振機(jī)理與特性、應(yīng)用與研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)的介紹,并給出工程應(yīng)用實(shí)例213456710.2沖擊阻尼技術(shù)10.2沖擊阻尼技術(shù)-1沖擊阻尼技術(shù)是利用兩物體進(jìn)行非彈性碰撞后經(jīng)過動(dòng)量交換而耗散能量的它是通過在結(jié)構(gòu)體(主系統(tǒng))內(nèi)部空腔放置一個(gè)起沖擊作用的沖擊體(剛性質(zhì)量塊或球體顆粒),或者在結(jié)構(gòu)體表面附加一個(gè)帶有沖擊體的腔體[即沖擊阻尼器(ImpactDamper),又稱加速度阻尼器]來實(shí)現(xiàn)的當(dāng)結(jié)構(gòu)體振動(dòng)時(shí),沖擊體將進(jìn)行沖擊運(yùn)動(dòng),與結(jié)構(gòu)體反復(fù)碰撞將其振動(dòng)能量耗散,達(dá)到減振的目的圖10-1單體沖擊阻尼器動(dòng)力學(xué)模型10.2沖擊阻尼技術(shù)-2一般而言,為提高沖擊阻尼器的減振效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)要實(shí)現(xiàn)沖擊減振,首先要使沖擊體對(duì)結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期性沖擊運(yùn)動(dòng),因此合理選擇沖擊體與結(jié)構(gòu)體腔體之間的運(yùn)動(dòng)間隙是關(guān)鍵,同時(shí)希望沖擊體和結(jié)構(gòu)體都以最大運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行碰撞,以獲得有力的碰撞條件,造成最大的能量損失2)沖擊體質(zhì)量越大,碰撞時(shí)消耗的能量就越大。因此,在結(jié)構(gòu)空間尺寸允許的前提下,選用盡可能大質(zhì)量比的沖擊體。若空間尺寸受限制,沖擊體的材料可選用密度大的材料(如鉛、鎢等),以增加沖擊質(zhì)量3)沖擊體一般安裝在結(jié)構(gòu)體振動(dòng)幅值最大的位置,以提高減振效果213456710.3顆粒阻尼技術(shù)10.3.1概述沖擊阻尼的局限性：①?zèng)_擊體與結(jié)構(gòu)體之間碰撞而引發(fā)的沖擊阻尼效應(yīng)較弱,耗散振動(dòng)能量的能力不高;②寬頻和多模態(tài)耦合狀態(tài)下的減振效果不好;③減振的同時(shí)由于沖擊作用而產(chǎn)生較高的沖擊噪聲以及較大的接觸應(yīng)力顆粒阻尼技術(shù)是在傳統(tǒng)的沖擊阻尼技術(shù)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新型阻尼減振技術(shù),是一種廣義沖擊阻尼技術(shù)技術(shù)用大量顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖擊體,阻尼效應(yīng)不僅包含顆粒與結(jié)構(gòu)體之間的碰撞與摩擦效應(yīng),還包含顆粒之間的碰撞與摩擦效應(yīng),阻尼耗能能力顯著增強(qiáng),因此顆粒阻尼可以認(rèn)為是傳統(tǒng)沖擊阻尼和摩擦阻尼效應(yīng)的疊加顆粒阻尼技術(shù)的實(shí)施也主要分為兩種:①顆粒阻尼器②非阻塞性顆粒阻尼10.3.2顆粒阻尼器-1

1.傳統(tǒng)顆粒阻尼器動(dòng)態(tài)載荷環(huán)境下的非黏性顆粒群具有良好的動(dòng)態(tài)和波傳播性能,可以用于制作被動(dòng)阻尼減振裝置與傳統(tǒng)沖擊阻尼器相比,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將原來的單顆粒沖擊體用眾多微小顆粒代替,這樣的顆粒群所呈現(xiàn)的阻尼性能以及減振降噪能力是單顆粒無法比擬的圖10-4顆粒材料:鉛粒(左)和鎢粉(右)圖10-5傳統(tǒng)顆粒阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖10.3.2顆粒阻尼器-22.豆包阻尼器豆包阻尼器的包袋材料采用了具有良好恢復(fù)性能的皮革或人造革等,因此在沖擊碰撞時(shí),包袋層首先與固連在結(jié)構(gòu)體上的阻尼器殼體接觸,起到了一種緩沖作用由于柔性約束的效應(yīng),帶動(dòng)包袋內(nèi)的金屬顆粒先后不一地參與碰撞接觸,不但大大延長(zhǎng)了總體接觸時(shí)間,而且起到了一種使沖擊力大大減小的非線性緩沖作用由于包袋層的柔性約束作用,加劇了顆粒間的相互碰撞和摩擦作用,消耗了更多的能量,從而使豆包阻尼器表現(xiàn)出良好的減振效果圖10-6豆包阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-1非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)劇烈部位或振動(dòng)傳輸路徑上加工一定數(shù)量的孔洞,其中填充適當(dāng)數(shù)量的、直徑介于0.05~5mm之間的金屬或非金屬顆粒,使之在孔中處于非阻塞狀態(tài)(見圖10-7)。隨著結(jié)構(gòu)體的振動(dòng),顆粒相互之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間不斷地碰撞和摩擦,以此消耗結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量,達(dá)到減振或隔振的目的圖10-7非阻塞性顆粒阻尼結(jié)構(gòu)示意圖10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-2非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)是在結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)劇烈部位或振動(dòng)傳輸路徑上加工非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是①基本上不增加結(jié)構(gòu)體的總體質(zhì)量,有利于輕量化;②無須改變結(jié)構(gòu)部件的總體外形設(shè)計(jì);③阻尼效果十分顯著;阻尼特性基本不受環(huán)境條件的影響,性能穩(wěn)定,不老化;⑤具有良好的減振、隔振和抗沖擊綜合特性,減振頻帶寬,其中尤以中、高頻減振效果更為突出,在有效減振頻帶內(nèi)幾乎對(duì)系統(tǒng)所有的共振模態(tài)都有減振作用,而且較小的質(zhì)量比就能取得很好的減振效果;⑥顆粒的密度以及顆粒間的摩擦系數(shù)越大,減振效果越好10.3.3非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)-3一般而言,為提高非阻塞性顆粒阻尼的減振效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則:1)應(yīng)用非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)時(shí),必定要在原結(jié)構(gòu)體上鉆孔,對(duì)原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或多或少地產(chǎn)生一定的影響2)非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)的施加位置很重要3)孔徑的大小也影響減振效果4)顆粒材料應(yīng)盡可能選擇密度大的材料(如鉛、鎢等)5)顆粒的填充數(shù)量常用體積填充比(定義為所有顆粒占據(jù)的體積與孔腔總體積之比)和質(zhì)量填充比(定義為顆粒實(shí)際填充質(zhì)量與最大可填充質(zhì)量之比)表示10.3.4顆粒阻尼減震機(jī)理與特性顆粒阻尼的減振機(jī)理是由于結(jié)構(gòu)體與其內(nèi)部填充的顆粒之間存在耦合運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致顆粒之間以及顆粒與結(jié)構(gòu)體之間做相對(duì)碰撞與摩擦運(yùn)動(dòng),從而消耗結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量顆粒阻尼的能量耗散主要分為兩大類:①外部耗散:通過顆粒與腔體或孔壁之間不斷地摩擦和沖擊作用將能量耗散掉;②內(nèi)部耗散:通過顆粒之間的相互摩擦與沖擊將能量耗散掉圖10-8顆粒阻尼的能量耗散分布213456710.4應(yīng)用與研究進(jìn)展10.4.1航天工程領(lǐng)域-1如圖10-11所示。顆粒阻尼器(顆粒材料為鉛粒,阻尼器質(zhì)量填充比為15%~20%)在安裝梁的端部,地面模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)顆粒阻尼技術(shù)處理后的上述兩種附件結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼提高了5%~20%。圖10-11帶有顆粒阻尼器的航天器懸臂梁狀附件結(jié)構(gòu)示意圖10.4.1航天工程領(lǐng)域-2圖10-14所示為某航天器使用的電子線路箱,為降低沖擊和聲載荷激勵(lì)的影響,采用前面已開發(fā)的顆?？烧{(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行處理,效果顯著,共振頻率處的品質(zhì)因子可降低10圖10-14某電子線路箱(左)和顆粒可調(diào)諧質(zhì)量阻尼器布局(右)10.4.2其他工程領(lǐng)域除了上述航天工程領(lǐng)域外,顆粒阻尼技術(shù)還成功用于裝甲車輛、管道系統(tǒng)、雷達(dá)采樣架立柱、金融捆鈔機(jī)、深海石油和天然氣鉆鋌、IC封裝設(shè)備、船用壓縮機(jī)組以及高層建筑等設(shè)備或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制中。顆粒阻尼技術(shù)還可與前面介紹的隔振技術(shù)或動(dòng)力吸振技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合,可以得到更好的振動(dòng)控制效果圖10-22智利ParqueAraucano高層建筑以及動(dòng)力吸振器系統(tǒng)10.4.3理論分析方法-11.集中質(zhì)量法該方法的思想是將連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁)等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng)(按首階模態(tài)進(jìn)行等效),把填充的顆粒等效為一個(gè)同質(zhì)量的單顆粒,如圖10-23所示集中質(zhì)量法的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單,易于計(jì)算,但該方法僅對(duì)顆粒整體與腔體之間的非彈性碰撞產(chǎn)生的沖擊阻尼效應(yīng)進(jìn)行了精確的表達(dá),而對(duì)顆粒之間碰撞和摩擦耗能、顆粒與腔體之間的摩擦耗能僅通過試驗(yàn)擬合得到的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似描述圖10-23集中質(zhì)量法模型示意圖10.4.3理論分析方法-22.散體元法散體元法(DEM)是解決非連續(xù)介質(zhì)問題的一種顯式求解數(shù)值方法，該方法是對(duì)每一個(gè)離散的顆粒進(jìn)行建模,根據(jù)牛頓第二定律和接觸關(guān)系來描述顆粒的運(yùn)動(dòng),通過時(shí)步迭代求解,跟蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,主要用于采礦、冶金、巖土工程、顆粒運(yùn)輸、生物制藥、石油化工等領(lǐng)域散體元法仿真需要對(duì)每一個(gè)顆粒進(jìn)行建模計(jì)算,當(dāng)顆粒數(shù)目較大時(shí),需要花費(fèi)大量的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間,計(jì)算成本比較高散體元法的研究對(duì)象多為簡(jiǎn)單的單自由度系統(tǒng),或能夠等效為單自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)單連續(xù)體結(jié)構(gòu)(如懸臂梁等),而無法完成復(fù)雜顆粒阻尼連續(xù)體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)的仿真計(jì)算10.4.3理論分析方法-33.氣固兩相流理論氣固兩相流,顧名思義就是由氣體相和固體相組成的兩相混合流,廣泛存在于自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中目前氣固兩相流理論已成功引入振動(dòng)工程領(lǐng)域的顆粒阻尼技術(shù)理論分析與響應(yīng)預(yù)估中目前通過多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL進(jìn)行聯(lián)合仿真技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單梁、板結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的箱體類結(jié)構(gòu)以及工程實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)乃至聲輻射響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)估缺點(diǎn)：①操作技能要求高:需要根據(jù)理論公式在軟件中編寫代碼;②模型創(chuàng)建復(fù)雜:對(duì)于在結(jié)構(gòu)上施加的顆粒阻尼器,需要逐個(gè)設(shè)定;③高消耗、低效率:占用大量計(jì)算機(jī)資源(內(nèi)存和CPU),計(jì)算效率較低;④網(wǎng)格功能不完善:導(dǎo)入網(wǎng)格僅包含節(jié)點(diǎn)信息,對(duì)模型和網(wǎng)格的修改困難213456710.5工程應(yīng)用實(shí)例10.5.1全自動(dòng)捆鈔機(jī)的振動(dòng)控制全自動(dòng)捆鈔機(jī)在捆鈔過程中,捆扎帶的成圈和熱合是通過高速主電動(dòng)機(jī)和偏心軸驅(qū)動(dòng)搖爪機(jī)構(gòu),帶動(dòng)擺軸回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的對(duì)于圖10-30所示的捆鈔機(jī)機(jī)架,采用?0.5mm的鎢粉顆粒,在以下三個(gè)位置施加非阻塞性顆粒阻尼技術(shù):1)在擺軸軸孔和偏心軸軸孔周圍分別鉆10個(gè)?3mm的小孔,孔深均為20mm,如圖10-31a所示2)在機(jī)架板上分別沿橫向和縱向鉆孔,孔徑均為?4mm,孔深根據(jù)具體的鉆孔位置確定。板1的鉆孔示意圖如圖10-31b所示,板2的鉆孔位置與其相似3)在機(jī)架的其他位置上(見圖10-31c)鉆孔,孔徑為?4mm,孔深根據(jù)具體位置確定圖10-30捆鈔機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖10.5.2衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)冷級(jí)面板的振動(dòng)控制在航天器發(fā)射入軌的過程中,衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)(CryogenicStructure)往往承受超過設(shè)計(jì)極限的載荷沖擊,容易導(dǎo)致與其相連接的隔熱器(ThermalIsolator)產(chǎn)生過高的應(yīng)力水平,對(duì)于低溫結(jié)構(gòu)的正常工作乃至衛(wèi)星的平穩(wěn)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此,開展衛(wèi)星低溫結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制具有極為重要的意義低溫結(jié)構(gòu)是一個(gè)質(zhì)量為53lb的鋁制加筋矩形板(30in×10in)結(jié)構(gòu),由溫級(jí)、中級(jí)和冷級(jí)三層面板組成,其中心與隔熱器相連接經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),最外層的冷級(jí)面板在50~150Hz范圍內(nèi)的彎曲振動(dòng)對(duì)隔熱器具有重要影響,是造成隔熱器應(yīng)力過大的主要原因10.5.3船用壓縮機(jī)組機(jī)架振動(dòng)控制壓縮機(jī)組是船舶重要的流體機(jī)械系統(tǒng)組件,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于吸、排氣沖擊作用以及其他機(jī)械激勵(lì)往往產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng),不僅影響其使用壽命和船舶其他設(shè)備的正常工作,對(duì)于軍用艦船來說還直接影響其隱身性能和戰(zhàn)斗力,威脅自身安全圖10-37某船用壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖謝謝?！豆こ陶駝?dòng)分析與控制基礎(chǔ)》第11章振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)第11

章振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)11.1引言11.2基本概念和技術(shù)原理11.3應(yīng)用于研究進(jìn)展11.4機(jī)敏材料11.5工程應(yīng)用實(shí)例231456711.1引言

11.1引言

隔振技術(shù)、動(dòng)力吸振技術(shù)、黏彈阻尼技術(shù)、顆粒阻尼技術(shù)等,這些技術(shù)從減振機(jī)理的角度來講通常屬于振動(dòng)被動(dòng)控制(PassiveVibrationControl,PVC)技術(shù),又稱無源減振技術(shù)振動(dòng)主動(dòng)控制(ActiveVibrationControl,AVC)技術(shù)又稱有源減振技術(shù),是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及材料科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),它需要依靠附加的能源提供能量來支持減振裝置工作,具有效果好、適應(yīng)性強(qiáng)等潛在的優(yōu)越性,已成為振動(dòng)控制的一條重要的新途徑213456711.2基本概念和技術(shù)原理11.2基本概念和技術(shù)原理-1振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)通常是通過主動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,與傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相類似,它也包含開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類。目前最為常用的一類振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng),如圖11-1所示。閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)主要由受控對(duì)象、傳感器、作動(dòng)器、控制器和外界能源五部分組成,其中外界能源(如液壓油源、氣源、電源等)用來支持作動(dòng)器的工作圖11-1閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖11.2基本概念和技術(shù)原理-2閉環(huán)主動(dòng)控制的技術(shù)原理是:首先由傳感器拾取受控對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)輸入控制器,控制器根據(jù)不同的控制策略輸出控制信號(hào),控制信號(hào)控制作動(dòng)器對(duì)受控對(duì)象施加作用力或力矩,從而達(dá)到振動(dòng)控制的目的。因此,閉環(huán)振動(dòng)主動(dòng)控制的技術(shù)原理就是通過適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)或輸出反饋,產(chǎn)生一定的控制作用來主動(dòng)改變受控對(duì)象的閉環(huán)零、極點(diǎn)配置或參數(shù),從而使系統(tǒng)滿足預(yù)定的動(dòng)態(tài)特性要求由于半主動(dòng)控制兼具主動(dòng)控制優(yōu)良的控制效果和被動(dòng)控制簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了主動(dòng)控制需要高額能量供給和被動(dòng)控制調(diào)諧范圍窄的缺點(diǎn),因此,半主動(dòng)控制具有更為良好的應(yīng)用前景213456711.3應(yīng)用與研究進(jìn)展11.3.1主動(dòng)振動(dòng)控制如圖11-2所示,該主動(dòng)控制系統(tǒng)包含外側(cè)副翼和外側(cè)襟副翼兩個(gè)控制回路,飛機(jī)顫振標(biāo)示速率可以提高30%,顫振抑制效果顯著圖11-2某型飛機(jī)顫振模式控制的控制面與傳感器位置11.3.2半主動(dòng)振動(dòng)控制20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的采用電磁閥控制流體流動(dòng)的沖擊吸振器實(shí)際上就是半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)的雛形進(jìn)入21世紀(jì)以來,以磁流變阻尼技術(shù)為代表的半主動(dòng)控制裝置以其優(yōu)良的性能迅速在斜拉索橋梁為代表的大跨度橋梁工程中得到了應(yīng)用,取得了顯著的振動(dòng)控制效果目前,以磁流變阻尼技術(shù)為代表的半主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入了迅猛的發(fā)展時(shí)期,特別是基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)以及半主動(dòng)起落架系統(tǒng)已發(fā)展成為車輛與飛機(jī)的必備組件。目前,振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)已發(fā)展成為結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析和控制領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)213456711.4機(jī)敏材料11.4.1壓電材料壓電材料(PiezoelectricMaterial)是一種同時(shí)兼具正、逆電-機(jī)械耦合特性的機(jī)敏材料若對(duì)其施加作用力,則在它的兩個(gè)電極上將感應(yīng)產(chǎn)生等量的異號(hào)電荷;反之,當(dāng)它受到外加電壓的作用時(shí),便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形?；谶@一特性,壓電材料在振動(dòng)主動(dòng)控制中被廣泛用作傳感器和作動(dòng)器圖11-10常用壓電材料(源自網(wǎng)絡(luò))11.4.2磁致伸縮材料磁致伸縮材料(MagnetostrictiveMaterial)是一種同時(shí)兼具正、逆磁-機(jī)械耦合特性的機(jī)敏材料,當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí),便會(huì)產(chǎn)生彈性變形;若對(duì)其施加作用力,則其形成的磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化磁性材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變化的現(xiàn)象,稱為維德曼效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)可用于設(shè)計(jì)位移作動(dòng)器或扭轉(zhuǎn)馬達(dá),而其逆效應(yīng)可用于制作力或扭矩傳感器等近20年來,隨著磁致伸縮材料的不斷開發(fā)應(yīng)用以及相應(yīng)的制造工藝的不斷完善和突破,原材料成本的降低,此材料的市場(chǎng)價(jià)格大幅度降低,已形成了代替壓電陶瓷的強(qiáng)大勢(shì)頭,已廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、石油工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用等領(lǐng)域11.4.3形狀記憶合金形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)也是一種新型的機(jī)敏材料,它在高溫下被處理成一定的形狀后急冷下來,在低溫狀態(tài)下經(jīng)塑性變形為另一種形狀,當(dāng)再加熱至高溫穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),材料通過馬氏體相變可以恢復(fù)到低溫塑性變形前的形狀合金材料的形狀記憶效應(yīng)如圖11-19所示,是指材料的形狀在低溫環(huán)境被改變之后,一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí),它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀,人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金圖11-19合金材料的形狀記憶效應(yīng)演示(源自網(wǎng)絡(luò))11.4.4電流變流體電流變(Electrorheological,ER)流體,是一種由介電微粒與載體油(絕緣液體)混合而成、流變特性可由外加電場(chǎng)控制的機(jī)敏懸浮體材料在無電場(chǎng)作用時(shí),它通常表現(xiàn)為普通的Newtonian流體,但在外加電場(chǎng)作用下,其表觀黏度在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)會(huì)急劇增大(105量級(jí)),同時(shí)伴隨屈服應(yīng)力、剪切模量的顯著增加,呈現(xiàn)Bingham塑性體(黏塑性膠體)性態(tài)。而且這種變化是瞬時(shí)可逆的,即在撤除外加電場(chǎng)后,電流變流體又能迅速恢復(fù)至原來的狀態(tài)圖11-22電流變流體流變效應(yīng)示意圖11.4.5磁流變流體磁流變(Magnetorheological,MR)流體則是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小(納米至微米尺度大小)磁性顆粒和載體油(非導(dǎo)磁性液體)混合而成的機(jī)敏懸浮體材料這種材料在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低表觀黏度的Newtonian流體特性;而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,則瞬間(毫秒級(jí))呈現(xiàn)出高表觀黏度(增大105~106倍)、低流動(dòng)性的Bingham體(黏塑性膠體)特性。而且這種變化是連續(xù)的、可逆的,即當(dāng)磁場(chǎng)撤銷后,又會(huì)迅速恢復(fù)到原始液態(tài)圖11-26磁流變流體流變效應(yīng)示意圖11.4.6磁流變彈性體磁流變彈性體(MagnetorheologicalElastomer,MRE)是由高分子聚合物和微米級(jí)的軟磁性材料制成的。這種混有磁性材料的聚合物固化成形后,在外加磁場(chǎng)下,其力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性能會(huì)隨外加磁場(chǎng)的改變而變化。因此,它屬于磁流變材料的一個(gè)分支磁流變彈性體主要由基體材料和分散其中的磁性顆粒以及一些添加劑組成,其中基體材料一般采用橡膠和樹脂等高分子聚合物,而磁性顆粒的選擇與磁流變流體相似磁流變彈性體的制備工藝與一般彈性體或普通橡膠的過程相似,主要是材料配比混合、塑煉、混煉和固(硫)化四個(gè)階段圖11-31磁流變彈性體(聚氨酯材質(zhì))試樣與模具213456711.5工程應(yīng)用實(shí)例11.5.1快走絲線切割機(jī)電極絲的振動(dòng)主動(dòng)控制由于傳統(tǒng)的被動(dòng)控制技術(shù)尚不能達(dá)到令人滿意的效果,為此采用振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)來控制電極絲的振動(dòng)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)如圖11-33所示,選用壓電陶瓷元件PZT-5A(規(guī)格:24mm×18mm×1mm),粘貼在0.15mm厚的金屬片上作為傳感器和作動(dòng)器,且將兩者設(shè)在同一位置,控制器由可調(diào)式反饋控制電路組成圖11-33線切割機(jī)電極絲振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖11.5.2滾筒洗衣機(jī)的半主動(dòng)振動(dòng)控制滾筒洗衣機(jī)在洗滌工作時(shí),滾筒內(nèi)的衣物和水流等不平衡質(zhì)量在滾筒的高速旋轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生