自供能减振器结构设计及优化.doc

毕业设计(论文)开题报告题 目： 自供能智能减振器结构设计及优化 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 王勇 学 号： 200902010138 指导教师： 魏克湘 2013年 03 月 10 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文 献 综 述0 引言 机械或机构系统在其平衡位置附近的往复运动称为振动【1】。早在远古时期，人们就注意到这种物理现象，制作出利用振动发声的各种乐器。随着人们对振动的认识和了解，19世纪后期，人们在制造动力机械、建造桥梁等工程实践中遇到大量灾难性振动问题及由此产生的噪音、疲劳问题，吸引众多的力学家和工程师致力于工程振动问题的研究，发展了近似分析方法和实验方法。自20世纪20年代起，振动逐渐成为机械工程师、结构工程师必须了解的知识，成为高等工程教育的重要内容之一。当今，飞行器、船舶、车辆等运载工具和汽轮机、机器人等机电产品都需要在短期内不断更新换代，以适应市场经济下的产品竞争和人们对可靠些、舒适性等不断增长的要求。由于结构日趋轻柔，机械日趋高速，环境日趋复杂，振动及由此产生的噪声、疲劳制约了通常只考虑静载荷和静特性，在产品试制出来后再作动载荷校核或振动特性测试。但有些时候振动是无法避免的，比如说汽车走在起伏的路面上的颠簸，这个时候往往我们需要在车辆上面加载减振系统。随着科技的发展减振系统也迅速发展目前在车辆减振方面已经做出了很大的改进。但是对于超精密隔振平台系统，由于隔振要求很高，采用被动隔振方法，将无法达到良好的隔振效果。而传统的主动隔振技术虽然能够很好满足隔振平台的高精度、快响应的振动控制要求，但由于结构比较复杂，且需要消耗大量的能源，在应用中具有一定局限性。随着材料科技的飞速发展，基于各种智能材料与结构的主被动混合隔振技术为超精密隔振平台效果的进一步提高提供了一个有效的解决方法。1 电流变液技术概念及其特点和发展前景电流变液(Electro-rheological fluid,简称ERF)是一种新型的智能材料，它的流变性质(黏度、屈服应力、剪切模量等)可以很容易的通过外加电场控制。电流变液体不是一种单组分的液体，也不是多组分的溶液，而是一种由介质的固体粒子和绝缘性良好的基础液所组成的悬浮液。美国学者WINSLOW在20世纪40年代末首先发现这种液体具体非常奇特的性能，在电场作用下起表现黏度可比无电场下增大几个数量级，而且可随电场强度的不同发生无级的连续的变化【2】。另外ER液体在外加电场时在毫秒内可以从液态转换到固体液态，这种现象称为电流变效应(ER 效应)，也称WINSLOW效应。到目前为止，人们共发现了3种电流变效应：1)当ER液体的流变性质随外加电场的增加而有所提高时被定义为正电流变效应；2)当ER液体的流变性质随外加的电场的增加而降低时被称为负电流变效应；3)在某些ER体系中，正和负电流变效应均可通过紫外线光照射而提高，这时电流变效应称为光-电流变效应。美国能源部在1992年5月电流变液体评估报告中认为“电流变液体将使工业和技术的若干部门出现革命性的变革”。但电流变液体没有得到普遍的应用，主要是由于电流变液体剪切强度低，只达到10 KPa左右，不能满足工程应用要求。据文献报道，研究人员在电流变液体研究方面获得重要突破，成功研究了具有巨电流变(giant electrorheological,简称GER)效应的纳米颗粒电流变液体。GER流体由表面包裹有尿素薄层的BaTiO(C2O4)2纳米颗粒与硅油混合而成。此类材料的电流变效应远远突破了通常理论所预测的“上限”，剪切强度可超过130 KPa，比现有电流变液体高一个数量级以上。巨电变流材料的成功研究标志着电流变液体的一项重大进展，再度引发人们将此项技术商业化的兴趣。电流变理论的核心内容是弄清楚ER效应的机理，即分析ERF在包括电场在内的外场作用下，粒子间的相互作用力产生的原因，建立起有关的物理数学模型，解释并预测ER效应与材料性能、电场等的关系，从而用于指导高性能ERF的开发。但由于ER效应涉及到浓悬浮液中的粒子在剪切场和电场中的相互作用，其物理性能很复杂。随着人们对ER液体的研究，逐步提出了“水桥”机理、双电层机理、静电极化模型、导电模型以及层模型等几个主要机理来解释传统电流变液体的电流变效应。研究人员提出了“表面极化饱和模型”，圆满解释了GER效应的实验结果。有一些文献总结了较前ER技术和ER效应的机理研究所取得的工作进展。笔者全面回顾了ER效应的传统机理以及ER效应机理研究进展、ER效应屈服应力方程。ER效应机理主要有双层电层理论和“水桥”机理、极化模型、导电模型以及解释巨ER效应的表面极化饱和模型。影响ER效应的因素非常多，这些因素包括外加电场强度、电场频率、颗粒的导电率、颗粒尺寸和形状、颗粒的介电性质、颗粒的体积分数、温度、水的含量、液体介质等。考虑到所有的影响因素合成一种理想的电流变材料变得十分困难，而提出能够解释所有电流变效应的模型和机理更是难上加难。但是合理全面的机理模型对合成材料具有良好的知道作用，而且有较高的剪切应力的电变流材料的成功合成对机理的发展起到了推动作用，二者相辅相成，不可或缺【3】。2 电流变液减振器1939年winslow发现电流变效应以来，电流变材料在减振降噪领域的巨大应用潜力愈来愈受到人们的重视。改变ERF周围的电场强度，ER流体的粘-剪特性将发生显著变化。利用这一特性设计电流变(ER)减振器，具有响应速度快、结构简单、易实现计算机控制、减振降噪能力强等优点，是实现汽车和土木结构智能化振动控制的新一代高性能装置。3 电流变液减振器目前研究状况【4】从实现电流变液减振器产品化角度出发，电流变液减振器的研究围绕结构设计和控制系统设计两个方面进行。在结构设计方面，由于电流变液材料在减振降噪领域的巨大应用潜力，使得人们在ER材料被首次发现以来就一直致力于各种新型结构电流变阻尼器的开发研究，并取得了一系列有价值的成果，迄今为止，已经设计出多种各具特色的电流变阻尼模型装置。国外1980年代初期就开始了采用电流变液体为工作介质问题的可调阻尼悬架减振器的研究。Hurray Sturk等人研制电流变减振器内部设置了5个铝制同心套筒，整个套件以空心铜制活塞杆为轴，充当活塞。Petek N等设计了带有充气室的双筒式电流变减振器。Douglas研制出的一周电流变液减振器能产生较大的阻尼力。S.B.Choi等人设计的电流变减振器将电极施加在内筒与外筒之间。Isaow等申请了多项流动模型式的电流变减震器专利。国内北京理工大学魏宸官等申请了两项电流变液减振器专利。李天剑、高晶敏等研制了三筒式结构的电流变液减振器。4 ER减振器结构【4】综合这些阻尼器，按照阻尼力形成的机理可分为两类：剪切型ER减振器和控制阀型ER减振器。4.1基于流动模式ER阻尼器流动模式阻尼器的特点是在流动模式中电极间隙对ER流体产生节流作用，进而形成了阻尼力。目前有两种结构类型，一种阻尼器有旁通油路，其阻尼力是由电流变效应对油液的节流作用而得到。该ER阻尼器结构设计灵活性大，电极固定，阻尼力较剪切模式大、电源工作电压叫剪切模式低，但是体积较大，密封性要求较高。另一种阻尼器无旁通油路，该类型阻尼器制造精度要求相对较低，结构比有旁通油路的更紧凑，但是对油液的流动性要求更高，即电流变液的沉淀性问题更明显。4.2基于流动模式ER阻尼器剪切型ER减振器主要由活塞杆、活塞体、电极、工作缸及贮油缸等几个主要部分组成。剪切模式的特点是电极间隙内的ER流体基本上处于非流动状态，阻尼力仅来源于电极对流体的剪切作用。一种结构是单个电极间隔，其阻尼力是与速度有关的被动阻尼和仅与电场强度有关的主动阻尼，这种阻尼器结构简单，缺点是阻尼力相对较小，活塞运动精度要求不高，电极间隙不能太小，电源工作电压较高。另一种阻尼器是多个电极间隔，它能产生的阻尼力相对较大，但是由于电极对增加，活塞运动精度要求相对较高。4.3控制阀型ER减振器控制阀型ER减振器能够将工作介质与控制介质分离，其主要结构为：活塞、活塞杆、工作缸、贮油缸、活塞阀、底阀、控制阀组成。普通液压油作为工作介质，控制阀组成。普通液压油作为工作介质，控制阀的电极间隙内充满的ER流体为控制介质。电流变液仅用于控制控制阀口的开启的大小，工作介质流经控制阀口的节流作用形成阻尼力。控制阀型ER减振器能完全避免ER流体高剪切率失效的问题。并且工作介质与控制介质完全分离，减振器的阻尼力不直接由ER流体的剪切力产生，控制阀型ER减振器的阻尼力调节范围明显优于剪切型ER减振器。4.4基于复合模式阻尼器 复合模式ER阻尼器中阻尼力的产生是由于ER流体在流经工作电极间隙对ER流体的剪切作用加上电极间隙对ER流体的节流作用共同完成的。该类型阻尼器的有点是阻力更大，结构相对简单，但是其制造精度叫剪切模式和流动模式阻尼要求更高。4.5其他类型ER阻尼器目前已经研发出盘型模式ER阻尼器、挤压膜阻尼器、组合阻尼器。盘型模式ER阻尼力来源于电极对流体的剪切作用。由于该类型阻尼器是盘型，所以其电极有效面积显著增加，相对来说必须多加一个运动转换器，对制造精度要求高。挤压模ER阻尼器的阻尼力来源于被动阻尼器提供的阻尼力和剪切式电流变阻尼器的阻尼力和剪切式电流变阻尼器提供的阻尼力，该阻尼器工作性能更可靠，但是其体积庞大，被动阻尼力较大，主动阻尼里调节范围较小。5 ER减振器结构设计中应解决的问题目前在ERF减振器结构设计方面存在一些问题需要解决，这些问题关系到电流变液体器件的成功使用。5.1 电场及电压有关高压电场的施加是急待解决的问题。ERF减振器需要高电压使ER流体的流动阻力在很短时间内得到明显改变，要求电极面积足够大以保证ERF的流动阻力可根据需要而增加，所以当电压一定，较大的电极间隙将导致电场强度减小，则ERF减振器外部尺寸增大，如果间隙过小，那么在高压加上时可能发生击穿现象，导致电场失效。此外电绝缘、体积小、重量轻的高压电源制造，也是需要认真考虑的问题。5.2 散热 高温影响ERF减振器的正常工作，流体的饱和气压在高温下将减小，流体容易产生乳化作用，虽然ERF减振器的阻尼力随着ER流体的表观流动阻力的改变而改变，但它仍是一种能耗减振器，当流体中有空气时，流体变成有弹性的且其性能不稳定，这将对阻尼力的产生有不利的影响，严重的乳化有可能最终导致减振器工作的失效。ERF减振器的阻尼力通过改变ER流体的流动阻力自动适应于道路状况，高温降低ER流体的粘度，不太容易产生高阻尼力。所以，在ERF撼振器的结构设计中，散热性是必须考虑的重点，从而避免ERF减振器在高温环境中工作失效。5.3 对ER流体的要求 目前，不管性能如何的电流变液体，大都停留在实验的可研阶段，真正能够作为商品大批量生产和向工程人员提供的电流变液体几乎没有。粘度、热稳定性、临界电压、介电特性、高等流动性、耐磨能力以及无电泳现象的发生是选用电流变液体的关键因素。6电流变液减振器的特点【4】 ER减振器自身的响应速度快、结构简单、易实现计算机控制、减振降噪能力强等特点使得它愈来愈受到机电行业和汽车行业的重视。粘度、热稳定性、临界电压、介电特性、高的流动性、耐磨能力以及无电泳现象的发生、控制系统、商品化等问题是ER减振器有待解决的难题。综上所述，ER减振器是一种很有发展潜力的新型减振器，必将是机电、汽车、武器等行业日渐青睐的对象。7 结论随着电流变液体材料研究的不断发展，越来越多电流变液材料的性能满足电流变效应，且剪切力也不断提高，利用电流变液效应来设计电流变液减振器并应用于工程实践中是完全有可能的。当然我们不能单单只在材料方面下手，同时应该重视结构的设计，如何使得电流变液减振器的体积最优化、响应速度越快、消耗的能量越小、受环境的影响小、散热性能好，这些都是我们在结构设计中可以努力解决的问题。本课题着实从结构方面下手，优化设计电流变液减振器的结构并用三维建模软件建立减振器的三维仿真模型，并通过ANSYS软件，对其减振器的动力学特性进行仿真分析，优化结构设计。通过上述方法对零件的结构提出改进的意见，并为其他方面的设计提供了可靠的理论依据。参考文献1 胡海岩.机械振动基础M.北京：北京航空大学出版社，2005,7:1-5.2 WINSLOW W M.Induced fibration of suspensionsJ.J ApplPhys,1949,20(3):1137-1140.3 庞雪蕾，杨敏丽.电流变效应的机理进展J.河北工业科技：河北科技大学， 2001,114 高晓芳，苏德胜，邵敏.带你刘变液减振器的技术研究现状及发展方向J.山东：青岛科技大学，2007毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、 课题的目的与意义本课题自供能减振器结构设计与优化，其目的在于掌握目前国内外减振器的发展现状，了解目前市场上减振器的弊端。然后采用科学合理的结构，优化设计出新的减振器满足工程使用。同时在结构设计过程中去学会相关设计的原理和技术，学习新的知识掌握使用新的设计分析软件，依靠计算机的辅助设计来提高设计效率。并且通过有限元分析发现所设计的零件的不足之处，加以改进！本课题的意义在于，由于对于超精密隔振平台系统，由于隔振要求高，采用被动隔振方法，将无法达到良好的隔振效果。而传统的主动隔振技术虽然能够很好的满足隔振平台的高精度、快响应的振动控制要求，但由于其结构一般较复杂，且需消耗大量的能源，在应用中具有一定的局限性。随着材料科学的飞速发展，基于各种智能材料与结构的主被动混合隔振技术为超精密隔振平台隔振效果的进一步提高提供了一个有效的解决方法。去攻克目前的难题，到达预期的减振效果是本课题的最初目的及意义，更大的意义在于设计过程中掌握和熟悉所学的知识和理论，结合本课题更进一步的提高自己的实践能力！二、 课题发展现状和前景展望迄今为止，已经设计出多种各具特色的电流变阻尼模型装置。国外1980年代初期就开始了采用电流变液体为工作介质问题的可调阻尼悬架减振器的研究。Hurray Sturk等人研制电流变减振器内部设置了5个铝制同心套筒，整个套件以空心铜制活塞杆为轴，充当活塞。Petek N等设计了带有充气室的双筒式电流变减振器。Douglas研制出的一周电流变液减振器能产生较大的阻尼力。S.B.Choi等人设计的电流变减振器将电极施加在内筒与外筒之间。Isaow等申请了多项流动模型式的电流变减震器专利。国内北京理工大学魏宸官等申请了两项电流变液减振器专利。李天剑、高晶敏等研制了三筒式结构的电流变液减振器。由于材料研究的不断发展电变流减振器的发展也会有更好的发展前景，我相信在不久的将来，会有很多学者设计制造出满足高精密减振平台的减振器的。利用电流变液这一特性设计电流变(ER)减振器，具有响应速度快、结构简单、易实现计算机控制、减振降噪能力强等优点，是实现汽车和土木结构智能化振动控制的新一代高性能装置。三、 课题主要内容和要求1. 基本掌握国内外研究动态；2. 完成减震器的初步结构设计；3. 运用三维建模软件建立减振器的三维仿真模型；4. 利用ANSYS软件，对减振器的动力学特性进行仿真分析，优化其结构设计。四、 研究方法、步骤和措施1、查阅资料，翻译英文资料查找设计所需的资料，资料袋内容要具有深度，要具有参考意义。 2、熟练掌握设计所需的内容 复习以前所学设计相关的专业知识，并熟悉的运用到设计中去。还要学习一些设计中所运用的其它方面的知识，如：变流体的理论、有限元法等。设计运用UG软件绘制电变流减振器的所有零件的三维模型图，并通过UG生成二维图形，并在仿真软件系统ANSYS中完成变流体减振器的运动学、动力学、有限元分析。 3、设计内容 (1)建立变流减振器的三维模型，并进行干涉分析； (2)变流减振器关键零件的模态仿真分析； (3)改进变流体减振器关键零件结构，并再次进行分析。 4、具体设计步骤 (1)利用UG完成变流体减振器所有零件的三维建模，进行装配，并进行干涉分析； (2)利用ANSYS对变流减振器模态仿真，分析关键零件导入ANSYS仿真系统； (3)利用ANSYS自动划线分网格，并生成有限元模型； (4)对有限元模型按照实际情况施加约束，设计系统模态分析初始条件并进行分析； (5)读取结果，并对仿真结果进行可视化分析处理，根据仿真结果提出合理改进意； (6)改进后重新建模并进行分析； (7)整理仿真分析所得数据，得出结论，为优化提供参考。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日