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原文传递电流变材料及减振控制研究

论文题名：	电流变材料及减振控制研究
关键词：	电流变液;二氧化钛;掺杂改性;减振器;半主动控制
摘要：	近年来，智能材料及其结构系统的研究是一个非常活跃的研究领域。作为一种典型的智能材料，电流变液体在外加电场的作用下，粘度、模量和屈服应力等发生迅速变化，而当电场取消后，液体的性能又迅速恢复到常态。由于电流变液的这一特性，实现了电场与力矩之间的可控、无级和可逆传递，特别适合于在机电耦合系统中的应用，如减振器、离合器、制动器和机器人等，因而显示了广阔的应用前景。电流变器件响应迅速、能耗小、控制方便，在汽车悬架的半主动控制和结构振动控制方面显示了诱人的发展前景。但是，目前研制的电流变液普遍存在着剪切应力值小，高剪切速率下难以成链，温度稳定性差和沉淀等问题，导致电流变减振器阻尼力调节范围小，高速失效等。因此，研制高性能的电流变液体材料和开发性能优良的电流变减振器仍然是一个艰巨的工作。本文围绕高性能电流变液体材料的研制，电流变减振器及汽车悬架半主动控制方法的研究，主要进行了以下研究工作： ①针对TiO2 具有高介电常数, 而在干态却表现出很弱的电流变效应的问题，依据介电极化理论和电导模型，提出了采用铈、钇离子掺杂TiO2，制备高性能无水电流变液体材料的方法。实验发现，掺杂引起TiO2 晶格畸变，晶面间距增大，缺陷密度增加，极化能力增强，电流变液体力学性能大幅增长。 ②采用Sol-gel 方法成功制备了铈、钇掺杂TiO2 电流变粉体颗粒材料。实验表明，制备工艺参数和条件直接影响掺杂TiO2 的相成分、均匀性、粒径和介电性质，从而对电流变活性产生重要的影响，严格控制工艺条件是制备高性能电流变粉体颗粒材料的关键。 ③利用扫描电镜、X 射线衍射、红外光谱分析等现代分析手段，对电流变粉体颗粒材料进行了物理表征。实验发现，颗粒的微观形貌呈多边形，大小基本均匀，粒径在30-50 m μ。干凝胶的热分解过程分为三个阶段：2000C 以下发生吸附水分及有机溶剂的挥发；2000C～4000C 出现有机物丁基等的断裂、分解和燃烧；4000C 以上为无定形二氧化钛的持续晶化过程。晶化过程不存在明显的晶化温度。Ce、Y 掺杂均促进了晶化过程，但抑制二氧化钛从锐钛矿结构向金红石结构的相变程度不同，Y 的作用更强。 ④研究了粉体颗粒材料的介电性质如介电常数、介电损耗和电导率。实验发现：掺杂引起颗粒介电常数、介电损耗和电导率升高，介电损耗角的正切由小于0.05上升到0.565，电导率由3×10-9S/m上升到8.25×10-7 S/m，低频介电常数由90.5上升到273；颗粒介电性质与掺杂量有明显的依赖关系，表明掺杂引起TiO2颗粒介电性能的改变是导致电流变液力学性能显著升高的内在原因。 ⑤研制出了两种高性能的无水电流变液体材料。在3kV/mm电场下，当体积比为22％时，它们的剪切屈服应力达到6kPa以上，而漏电流密度小于10μA/cm2。该电流变液体材料的研制为进一步开发汽车电流变减振器奠定了基础。 ⑥利用Newton 流体和Bingham流体的本构方程推导了基于平板模型和轴对称模型的流变学方程，提出了阻尼力计算方法。采用平板模型，分析了结构参数对减振器阻尼特性的影响，确定了电流变减振器的结构参数，对外特性进行了理论预测。 ⑦试制出了微型汽车电流变减振器。完成了电流变减振器的结构设计和工艺设计。对电流变减振器进行了台架试验，测试了电流变减振器的外特性。测试表明：随着电场强度的增加，减振器示功曲线所包围的面积逐渐增大，耗能增加，减振效果增强，阻尼力可以实现连续调节。 ⑧对电流变减振器阻尼力的理论计算结果和实验结果进行了比较。分析了误差产生的原因，从而提出了平板模型的修正系数。经修正后，实验结果和理论模型获得了比较好的吻合。 ⑨建立了汽车悬架振动系统模型和道路模型，研究了基于电流变减振器的连续可调半主动悬架LQG 最优控制、滑模控制和模糊逻辑控制，并进行了仿真计算。从控制效果和可实现性方面对三种控制方法进行了比较和评价。研究表明：在不考虑模型参数变化和系统可实现性的前提下，最优控制显示了最好的控制效果，使悬架各项性能指标得到了良好的兼顾。滑模控制也有比较好的控制效果，可实现性优于LQG 最优控制，特别是对模型参数的变化有较高的鲁棒性。模糊控制效果不如LQG 最优控制和滑模控制，表明控制规则及量化因子尚需进一步优化，但可实现性已明显增强。
作者：	郑玲
专业：	车辆工程
导师：	邓兆祥
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文