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1、 畢業(yè)設計(論文)開題報告 題 目： 自供能智能減振器結構設計及優(yōu)化 系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學生姓名： 王勇 學 號： 200902010138

2、 指導教師： 魏克湘 2013年 03 月 10 日 開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效。 2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按此電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見。 3．“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或

3、打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于10篇（不包括辭典、手冊），其中至少應包括1篇外文資料；對于重要的參考文獻應附原件復印件，作為附件裝訂在開題報告的最后。 4．統(tǒng)一用A4紙，并裝訂單獨成冊，隨《畢業(yè)設計（論文）說明書》等資料裝入文件袋中。  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 文獻綜述：結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料， 每人撰寫2500字以上的文獻綜述，文后應列出所查閱的文獻資料。 文 獻 綜 述 0 引言 機械或機構系統(tǒng)在其平衡位置附近的往復運動稱為振動【1】。早在遠古時期，人們就注意到這種物理現(xiàn)象，制作

4、出利用振動發(fā)聲的各種樂器。 隨著人們對振動的認識和了解，19世紀后期，人們在制造動力機械、建造橋梁等工程實踐中遇到大量災難性振動問題及由此產生的噪音、疲勞問題，吸引眾多的力學家和工程師致力于工程振動問題的研究，發(fā)展了近似分析方法和實驗方法。自20世紀20年代起，振動逐漸成為機械工程師、結構工程師必須了解的知識，成為高等工程教育的重要內容之一。 當今，飛行器、船舶、車輛等運載工具和汽輪機、機器人等機電產品都需要在短期內不斷更新?lián)Q代，以適應市場經濟下的產品競爭和人們對可靠些、舒適性等不斷增長的要求。由于結構日趨輕柔，機械日趨高速，環(huán)境日趨復雜，振動及由此產生的噪聲、疲勞制約了通常只考慮靜載荷和

5、靜特性，在產品試制出來后再作動載荷校核或振動特性測試。但有些時候振動是無法避免的，比如說汽車走在起伏的路面上的顛簸，這個時候往往我們需要在車輛上面加載減振系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展減振系統(tǒng)也迅速發(fā)展目前在車輛減振方面已經做出了很大的改進。但是對于超精密隔振平臺系統(tǒng)，由于隔振要求很高，采用被動隔振方法，將無法達到良好的隔振效果。而傳統(tǒng)的主動隔振技術雖然能夠很好滿足隔振平臺的高精度、快響應的振動控制要求，但由于結構比較復雜，且需要消耗大量的能源，在應用中具有一定局限性。隨著材料科技的飛速發(fā)展，基于各種智能材料與結構的主被動混合隔振技術為超精密隔振平臺效果的進一步提高提供了一個有效的解決方法。

6、1 電流變液技術概念及其特點和發(fā)展前景 電流變液(Electro-rheological fluid,簡稱ERF)是一種新型的智能材料，它的流變性質(黏度、屈服應力、剪切模量等)可以很容易的通過外加電場控制。電流變液體不是一種單組分的液體，也不是多組分的溶液，而是一種由介質的固體粒子和絕緣性良好的基礎液所組成的懸浮液。美國學者WINSLOW在20世紀40年代末首先發(fā)現(xiàn)這種液體具體非常奇特的性能，在電場作用下起表現(xiàn)黏度可比無電場下增大幾個數(shù)量級，而且可隨電場強度的不同發(fā)生無級的連續(xù)的變化【2】。另外ER液體在外加電場時在毫秒內可以從液態(tài)轉換到固體液態(tài)，這種現(xiàn)象稱為電流變效應(ER 效應)，也稱

7、WINSLOW效應。 到目前為止，人們共發(fā)現(xiàn)了3種電流變效應：1)當ER液體的流變性質隨外加電場的增加而有所提高時被定義為正電流變效應；2)當ER液體的流變性質隨外加的電場的增加而降低時被稱為負電流變效應；3)在某些ER體系中，正和負電流變效應均可通過紫外線光照射而提高，這時電流變效應稱為光-電流變效應。 美國能源部在1992年5月《電流變液體評估報告》中認為“電流變液體將使工業(yè)和技術的若干部門出現(xiàn)革命性的變革”。但電流變液體沒有得到普遍的應用，主要是由于電流變液體剪切強度低，只達到10 KPa左右，不能滿足工程應用要求。據(jù)文獻報道，研究人員在電流變液體研究方面獲得重要突破，成功研究了具有

8、巨電流變(giant electrorheological,簡稱GER)效應的納米顆粒電流變液體。GER流體由表面包裹有尿素薄層的BaTiO(C2O4)2納米顆粒與硅油混合而成。此類材料的電流變效應遠遠突破了通常理論所預測的“上限”，剪切強度可超過130 KPa，比現(xiàn)有電流變液體高一個數(shù)量級以上。巨電變流材料的成功研究標志著電流變液體的一項重大進展，再度引發(fā)人們將此項技術商業(yè)化的興趣。 電流變理論的核心內容是弄清楚ER效應的機理，即分析ERF在包括電場在內的外場作用下，粒子間的相互作用力產生的原因，建立起有關的物理數(shù)學模型，解釋并預測ER效應與材料性能、電場等的關系，從而用于指導高性能ERF

9、的開發(fā)。但由于ER效應涉及到濃懸浮液中的粒子在剪切場和電場中的相互作用，其物理性能很復雜。隨著人們對ER液體的研究，逐步提出了“水橋”機理、雙電層機理、靜電極化模型、導電模型以及層模型等幾個主要機理來解釋傳統(tǒng)電流變液體的電流變效應。研究人員提出了“表面極化飽和模型”，圓滿解釋了GER效應的實驗結果。有一些文獻總結了較前ER技術和ER效應的機理研究所取得的工作進展。筆者全面回顧了ER效應的傳統(tǒng)機理以及ER效應機理研究進展、ER效應屈服應力方程。ER效應機理主要有雙層電層理論和“水橋”機理、極化模型、導電模型以及解釋巨ER效應的表面極化飽和模型。 影響ER效應的因素非常多，這些因素包括外加電場強

10、度、電場頻率、顆粒的導電率、顆粒尺寸和形狀、顆粒的介電性質、顆粒的體積分數(shù)、溫度、水的含量、液體介質等?？紤]到所有的影響因素合成一種理想的電流變材料變得十分困難，而提出能夠解釋所有電流變效應的模型和機理更是難上加難。但是合理全面的機理模型對合成材料具有良好的知道作用，而且有較高的剪切應力的電變流材料的成功合成對機理的發(fā)展起到了推動作用，二者相輔相成，不可或缺【3】。 2 電流變液減振器 1939年winslow發(fā)現(xiàn)電流變效應以來，電流變材料在減振降噪領域的巨大應用潛力愈來愈受到人們的重視。改變ERF周圍的電場強度，ER流體的粘-剪特性將發(fā)生顯著變化。利用這一特性設計電流變(ER)減振器，具

11、有響應速度快、結構簡單、易實現(xiàn)計算機控制、減振降噪能力強等優(yōu)點，是實現(xiàn)汽車和土木結構智能化振動控制的新一代高性能裝置。 3 電流變液減振器目前研究狀況【4】 從實現(xiàn)電流變液減振器產品化角度出發(fā)，電流變液減振器的研究圍繞結構設計和控制系統(tǒng)設計兩個方面進行。在結構設計方面，由于電流變液材料在減振降噪領域的巨大應用潛力，使得人們在ER材料被首次發(fā)現(xiàn)以來就一直致力于各種新型結構電流變阻尼器的開發(fā)研究，并取得了一系列有價值的成果，迄今為止，已經設計出多種各具特色的電流變阻尼模型裝置。國外1980年代初期就開始了采用電流變液體為工作介質問題的可調阻尼懸架減振器的研究。Hurray Sturk等人研制電

12、流變減振器內部設置了5個鋁制同心套筒，整個套件以空心銅制活塞桿為軸，充當活塞。Petek N等設計了帶有充氣室的雙筒式電流變減振器。Douglas研制出的一周電流變液減振器能產生較大的阻尼力。S.B.Choi等人設計的電流變減振器將電極施加在內筒與外筒之間。Isaow等申請了多項流動模型式的電流變減震器專利。國內北京理工大學魏宸官等申請了兩項電流變液減振器專利。李天劍、高晶敏等研制了三筒式結構的電流變液減振器。 4 ER減振器結構【4】 綜合這些阻尼器，按照阻尼力形成的機理可分為兩類：剪切型ER減振器和控制閥型ER減振器。 4.1基于流動模式ER阻尼器 流動模式阻尼器的特點是在流動模式

13、中電極間隙對ER流體產生節(jié)流作用，進而形成了阻尼力。目前有兩種結構類型，一種阻尼器有旁通油路，其阻尼力是由電流變效應對油液的節(jié)流作用而得到。該ER阻尼器結構設計靈活性大，電極固定，阻尼力較剪切模式大、電源工作電壓叫剪切模式低，但是體積較大，密封性要求較高。另一種阻尼器無旁通油路，該類型阻尼器制造精度要求相對較低，結構比有旁通油路的更緊湊，但是對油液的流動性要求更高，即電流變液的沉淀性問題更明顯。 4.2基于流動模式ER阻尼器 剪切型ER減振器主要由活塞桿、活塞體、電極、工作缸及貯油缸等幾個主要部分組成。剪切模式的特點是電極間隙內的ER流體基本上處于非流動狀態(tài)，阻尼力僅來源于電極對流體的剪切

14、作用。一種結構是單個電極間隔，其阻尼力是與速度有關的被動阻尼和僅與電場強度有關的主動阻尼，這種阻尼器結構簡單，缺點是阻尼力相對較小，活塞運動精度要求不高，電極間隙不能太小，電源工作電壓較高。另一種阻尼器是多個電極間隔，它能產生的阻尼力相對較大，但是由于電極對增加，活塞運動精度要求相對較高。 4.3控制閥型ER減振器 控制閥型ER減振器能夠將工作介質與控制介質分離，其主要結構為：活塞、活塞桿、工作缸、貯油缸、活塞閥、底閥、控制閥組成。普通液壓油作為工作介質，控制閥組成。普通液壓油作為工作介質，控制閥的電極間隙內充滿的ER流體為控制介質。電流變液僅用于控制控制閥口的開啟的大小，工作介質流經控制

15、閥口的節(jié)流作用形成阻尼力?？刂崎y型ER減振器能完全避免ER流體高剪切率失效的問題。并且工作介質與控制介質完全分離，減振器的阻尼力不直接由ER流體的剪切力產生，控制閥型ER減振器的阻尼力調節(jié)范圍明顯優(yōu)于剪切型ER減振器。 4.4基于復合模式阻尼器 復合模式ER阻尼器中阻尼力的產生是由于ER流體在流經工作電極間隙對ER流體的剪切作用加上電極間隙對ER流體的節(jié)流作用共同完成的。該類型阻尼器的有點是阻力更大，結構相對簡單，但是其制造精度叫剪切模式和流動模式阻尼要求更高。 4.5其他類型ER阻尼器 目前已經研發(fā)出盤型模式ER阻尼器、擠壓膜阻尼器、組合阻尼器。盤型模式ER阻尼力來源于電極

16、對流體的剪切作用。由于該類型阻尼器是盤型，所以其電極有效面積顯著增加，相對來說必須多加一個運動轉換器，對制造精度要求高。擠壓模ER阻尼器的阻尼力來源于被動阻尼器提供的阻尼力和剪切式電流變阻尼器的阻尼力和剪切式電流變阻尼器提供的阻尼力，該阻尼器工作性能更可靠，但是其體積龐大，被動阻尼力較大，主動阻尼里調節(jié)范圍較小。 5 ER減振器結構設計中應解決的問題 目前在ERF減振器結構設計方面存在一些問題需要解決，這些問題關系到電流變液體器件的成功使用。 5.1 電場及電壓 有關高壓電場的施加是急待解決的問題。ERF減振器需要高電壓使ER流體的流動阻力在很短時間內得到明顯改變，要求電極面積足夠大以

17、保證ERF的流動阻力可根據(jù)需要而增加，所以當電壓一定，較大的電極間隙將導致電場強度減小，則ERF減振器外部尺寸增大，如果間隙過小，那么在高壓加上時可能發(fā)生擊穿現(xiàn)象，導致電場失效。此外電絕緣、體積小、重量輕的高壓電源制造，也是需要認真考慮的問題。 5.2 散熱 高溫影響ERF減振器的正常工作，流體的飽和氣壓在高溫下將減小，流體容易產生乳化作用，雖然ERF減振器的阻尼力隨著ER流體的表觀流動阻力的改變而改變，但它仍是一種能耗減振器，當流體中有空氣時，流體變成有彈性的且其性能不穩(wěn)定，這將對阻尼力的產生有不利的影響，嚴重的乳化有可能最終導致減振器工作的失效。ERF減振器的阻尼力通過改變ER

18、流體的流動阻力自動適應于道路狀況，高溫降低ER流體的粘度，不太容易產生高阻尼力。所以，在ERF撼振器的結構設計中，散熱性是必須考慮的重點，從而避免ERF減振器在高溫環(huán)境中工作失效。 5.3 對ER流體的要求 目前，不管性能如何的電流變液體，大都停留在實驗的可研階段，真正能夠作為商品大批量生產和向工程人員提供的電流變液體幾乎沒有。粘度、熱穩(wěn)定性、臨界電壓、介電特性、高等流動性、耐磨能力以及無電泳現(xiàn)象的發(fā)生是選用電流變液體的關鍵因素。 6電流變液減振器的特點【4】 ER減振器自身的響應速度快、結構簡單、易實現(xiàn)計算機控制、減振降噪能力強等特點使得它愈來愈受到機電行業(yè)和

19、汽車行業(yè)的重視。粘度、熱穩(wěn)定性、臨界電壓、介電特性、高的流動性、耐磨能力以及無電泳現(xiàn)象的發(fā)生、控制系統(tǒng)、商品化等問題是ER減振器有待解決的難題。綜上所述，ER減振器是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜏p振器，必將是機電、汽車、武器等行業(yè)日漸青睞的對象。 7 結論 隨著電流變液體材料研究的不斷發(fā)展，越來越多電流變液材料的性能滿足電流變效應，且剪切力也不斷提高，利用電流變液效應來設計電流變液減振器并應用于工程實踐中是完全有可能的。當然我們不能單單只在材料方面下手，同時應該重視結構的設計，如何使得電流變液減振器的體積最優(yōu)化、響應速度越快、消耗的能量越小、受環(huán)境的影響小、散熱性能好，這些都是我們在結構設計中可

20、以努力解決的問題。本課題著實從結構方面下手，優(yōu)化設計電流變液減振器的結構并用三維建模軟件建立減振器的三維仿真模型，并通過ANSYS軟件，對其減振器的動力學特性進行仿真分析，優(yōu)化結構設計。通過上述方法對零件的結構提出改進的意見，并為其他方面的設計提供了可靠的理論依據(jù)。 參考文獻 [1] 胡海巖.機械振動基礎[M].北京：北京航空大學出版社，2005,7:1-5. [2] WINSLOW W M.Induced fibration of suspensions[J].J ApplPhys, 1949,20(3):1137-1140. [3] 龐雪蕾，楊敏麗.電流變效

21、應的機理進展[J].河北工業(yè)科技：河北科技大學， 2001,11 [4] 高曉芳，蘇德勝，邵敏.帶你劉變液減振器的技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 山東：青島科技大學，2007 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 ２．開題報告：一、課題的目的與意義；二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望；三、課題主要內容和要求；四、研究方法、步驟和措施 開 題 報 告 一、 課題的目的與意義 本課題自供能減振器結構設計與優(yōu)化，其目的在于掌握目前國內外減振器的發(fā)展現(xiàn)狀，了解目前市場上減振器的弊端。然后采用科學合理的結構，優(yōu)化設計出新的減振

22、器滿足工程使用。同時在結構設計過程中去學會相關設計的原理和技術，學習新的知識掌握使用新的設計分析軟件，依靠計算機的輔助設計來提高設計效率。并且通過有限元分析發(fā)現(xiàn)所設計的零件的不足之處，加以改進！ 本課題的意義在于，由于對于超精密隔振平臺系統(tǒng)，由于隔振要求高，采用被動隔振方法，將無法達到良好的隔振效果。而傳統(tǒng)的主動隔振技術雖然能夠很好的滿足隔振平臺的高精度、快響應的振動控制要求，但由于其結構一般較復雜，且需消耗大量的能源，在應用中具有一定的局限性。隨著材料科學的飛速發(fā)展，基于各種智能材料與結構的主被動混合隔振技術為超精密隔振平臺隔振效果的進一步提高提供了一個有效的解決方法。去攻克目前的難題，到

23、達預期的減振效果是本課題的最初目的及意義，更大的意義在于設計過程中掌握和熟悉所學的知識和理論，結合本課題更進一步的提高自己的實踐能力！ 二、 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 迄今為止，已經設計出多種各具特色的電流變阻尼模型裝置。國外1980年代初期就開始了采用電流變液體為工作介質問題的可調阻尼懸架減振器的研究。Hurray Sturk等人研制電流變減振器內部設置了5個鋁制同心套筒，整個套件以空心銅制活塞桿為軸，充當活塞。Petek N等設計了帶有充氣室的雙筒式電流變減振器。Douglas研制出的一周電流變液減振器能產生較大的阻尼力。S.B.Choi等人設計的電流變減振器將電極施加在內筒與外筒之間。

24、Isaow等申請了多項流動模型式的電流變減震器專利。國內北京理工大學魏宸官等申請了兩項電流變液減振器專利。李天劍、高晶敏等研制了三筒式結構的電流變液減振器。由于材料研究的不斷發(fā)展電變流減振器的發(fā)展也會有更好的發(fā)展前景，我相信在不久的將來，會有很多學者設計制造出滿足高精密減振平臺的減振器的。利用電流變液這一特性設計電流變(ER)減振器，具有響應速度快、結構簡單、易實現(xiàn)計算機控制、減振降噪能力強等優(yōu)點，是實現(xiàn)汽車和土木結構智能化振動控制的新一代高性能裝置。 三、 課題主要內容和要求 1. 基本掌握國內外研究動態(tài)； 2. 完成減震器的初步結構設計； 3. 運用三維建模軟件建立減振器的三維仿真

25、模型； 4. 利用ANSYS軟件，對減振器的動力學特性進行仿真分析，優(yōu)化其結構設計。 四、 研究方法、步驟和措施 1、查閱資料，翻譯英文資料 查找設計所需的資料，資料袋內容要具有深度，要具有參考意義。 2、熟練掌握設計所需的內容 復習以前所學設計相關的專業(yè)知識，并熟悉的運用到設計中去。還要學習一些設計中所運用的其它方面的知識，如：變流體的理論、有限元法等。設計運用UG軟件繪制電變流減振器的所有零件的三維模型圖，并通過UG生成二維圖形，并在仿真軟件系統(tǒng)ANSYS中完成變流體減振器的運動學、動力學、有限元分析。 3、設計內容 (1)建立變流減

26、振器的三維模型，并進行干涉分析； (2)變流減振器關鍵零件的模態(tài)仿真分析； (3)改進變流體減振器關鍵零件結構，并再次進行分析。 4、具體設計步驟 (1)利用UG完成變流體減振器所有零件的三維建模，進行裝配，并進行干涉分析； (2)利用ANSYS對變流減振器模態(tài)仿真，分析關鍵零件導入ANSYS仿真系統(tǒng)； (3)利用ANSYS自動劃線分網格，并生成有限元模型； (4)對有限元模型按照實際情況施加約束，設計系統(tǒng)模態(tài)分析初始條件并進行分析； (5)讀取結果，并對仿真結果進行可視化分析處理，根據(jù)仿真結果提出

27、合理改進意； (6)改進后重新建模并進行分析； (7)整理仿真分析所得數(shù)據(jù)，得出結論，為優(yōu)化提供參考。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日