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电流变液夹层板结构动态特性及振动控制的实验研究

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1998-04-30收到,1998-05-25收到修改稿航空预研课题(608所)和国家自然科学基金资助课题

电流变液夹层板结构动态特性及振动控制的实验研究孟　光(佛山大学思源机电一体化研究所,佛山,528000)鲁宏权　任兴民(西北工业大学振动工程研究所,西安,710072)EXPERIMENTSTUDYONTHEDYNAMICCHARACTERSANDVIBRATIONCONTROLOFASANDWICHPLATEWITHELECTRO-RHEOLOGICALFLUIDMengGuang(FoshanUniversity,Foshan,528000)LuHongquan,RenXingming(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an,710072)

摘　要　采用表板为玻璃纤维板的电流变液夹层板进行动态特性试验,分析和研究了含电流变液结构在外加不同电场时电流变液对结构特性的影响以及结构动态反应的变化。试验表明:在电场强度增加的情况下,电流变液夹层板能有效增大结构阻尼,增加固有频率,并较好地抑制结构共振峰,控制结构的动力响应幅值。关键词　电流变液　振动控制　复合材料　结构阻尼中图分类号　O328,O37,O327Abstract　Thispaperinvestigatesexperimentallythedynamiccharactersandvibrationcontrolofasandwichplatestructurewithelectro-rheologicalfluidasitscorelayerandglassfiberastwosurfacelayers.TheinfluencesofER-fluidonthesandwichstructurecharactersanddynam-icresponsearestudiedunderdifferentappliedexternalelectricfields.Itisfoundintheexperi-mentthatthedampingandstiffnessoftheER-fluidsandwichplateandthenitsnaturalfrequen-ciescanbechangedveryquicklybytheappliedelectricfieldandthedampingincreasesgreatlywiththeincreasingofappliedelectricstrength,thestructuralresonantpeakscanberestrainedandthevibrationresponsescanbecontrolledbyanexternalelectricfield.TheeffectofER-flu-idonstructuredynamicresponseisalsoinfluencedbytheexcitingfrequencies.Keywords　electrorhelogicalfluid,vibrationcontrol,compositematerials,structuredamping

电流变液(ElectrorheologicalFluid)是一种具有发展前景和工程应用价值的新材料。它有变化自身流动特性的能力:无电场时可象水或液压油那样自由流动;如果在电场作用下,它处在渐变的胶状形态,且与电场强度成正比,人们将这种现象定义为“电流变效应”[1]。随着材料工业的发展,人们研制了许多新型的电流变液,并发展和建立了许多相关理论和模型来描述电流变液[2,3]。目前,国外已开始将其作为阻尼和减振材料应用于工程实际中[1,4]。将电流变液作为阻尼材料注入动态结构中,利用外加电压控制电流变液的特性以改变结构局部或整体的特性参数,可以达到满足不同的振动控制要求,适应不同工作条件和工作环境的目的。

第19卷　第4期1998年 7月 航　空　学　报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICA Vol.19No.4July1998本文针对工程中常见的夹层结构,以试验研究了注入电流变液的夹层板结构在不同电压作用下的动态特性变化,分析了电流变液对夹层板结构动态特性的控制效果及影响。

图1　夹层板结构示意图1　试件、试验方法和结果分析本试验使用的夹层结构试件的表层板为低强度的玻璃纤维板。夹层板的尺寸见图1,夹层厚度均为2mm,其中注满以硅油为母液,以滑石粉做分散粒子配制而成的电流变液,四周用一层薄的硅胶密封。试件均采用悬臂夹支方式。试件表层板的材料特性参数见表1。试验分为3部分:采用激光全息测振仪观察结构固有振型,测取固有频率;利用锤击法观察结构频响特性的变化;测量结构对不同外激励所产生的动态响应。(1)激光全息干涉试验　将试件的夹支端固定于振动台上,用蜂鸣器进行单点激励,同时用一个0～5kV的可调直流电源对电流变液施加电压,用激光器进行照射并在显示器上得到实时的干涉图样,通过分析软件的采样处理得到相应的振型图。表1　夹层板件基层与约束层的材料特性参数材料参数E/GPaE2/GPaG12/GPaG13/GPaG23/GPaV12V13V23

󰀁/kg󰀁m-3

约束层35314.820.9350.720.30.30.31800基层35314.820.9350.720.30.30.31800 经过对试件的测试,得到了不同外加电场作用下结构的共振频率及全息干涉图样。表2列出了试件的前几阶频率在外加不同电场强度时的变化,由于第一阶频率较小无法测量,因而未列入表内。表2　结构固有频率随外加电场的变化

电场强度/kV󰀁mm-1

频率/Hz2阶3阶4阶5阶6阶0215673791400.5246176841451266677861471.527687887149

试验发现,随着外加电场强度的增大,试件的各阶共振频率均发生了一定的上移,而且电场强度愈大,频率增加的越多,尤其是对低阶频率;只有适当增大激振力频率和幅值才能看到高电压作用时的干涉图,从此时的全息图上发现干涉条纹数较低电压情况时有所减少,且各条纹宽度增加,亮度降低,明暗条纹分界区域变得模糊;干涉条纹的分布和结构固有振型基本上不随电场变化而变化(见图2及图3)。这些现象表明:电流变液受到外电场作用后使结构的刚度增大,从而引起结构固有频率升高;由于电场作用使得电流变液的阻尼作用增强,从而引起了结构阻尼的增大,使结构共

457第4期孟　光等:电流变液夹层板结构动态特性及振动控制的实验研究图2　干涉条纹分布图(a)2阶共振;(b)3阶共振;(c)4阶共振;(d)5阶共振;(e)6阶共振

图3　测量得到的结构固有振型(a)2阶;(b)3阶;(c)4阶;(d)5阶;(e)6阶振峰的幅值减小。(2)频响函数及动力响应测试　为了进一步测试电流变液夹层板以便更直接地检验其

图4　夹层板结构的频响曲线移频及抑制共振的特性,进行了夹层板的频响函数测试和动态响应的测试。试件仍采用悬臂夹支方式,在测取频响函数时采用锤击法;在响应测试中主要采用电磁激振器进行激励,激励源为SD380分析仪提供的可调频率的正弦激励。为提高精度,在响应测试中使用了电涡流传感器。测得的频响函数曲线如图4所示。表3列出了5种不同电场强度下频响曲线的前几阶峰值、对应的频率值和各阶共振峰所对应的模态阻尼。由表3中数据可以看出,随着外部场强的升高,频响曲线中各共振峰所对应的频率值和模态阻尼均呈增大趋势,而共振峰的幅值不断减小,尤其低阶共振峰有较明显的减小,这说明外加电场对结构确实有减振移频的作用,并且具有随外加电场强度的变化而变化的特点,这正是电流变液用于动态控制的优势所在。

458航　空　学　报第19卷表3　频响试验测试结果项目电场强度E/kV󰀁mm-1

00.511.52.0

1阶

频率/Hz7.757.758.08.58.5

共振峰值0.9660.8780.7060.660.574模态阻尼0.0570.080.120.160.23

2阶

频率/Hz17.2517.2517.2517.2517.5

共振峰值2.492.321.831.641.27模态阻尼0.0450.0610.0750.120.13

3阶

频率/Hz52.7552.7552.7553.2553.5

共振峰值1.151.120.9530.9620.817模态阻尼0.0220.0270.0380.0370.042

4阶

频率/Hz60.060.060.560.7561.0

共振峰值0.7220.7010.6830.560.538模态阻尼0.0460.0510.0520.0560.074

5阶

频率/Hz72.2572.2572.572.572.5

共振峰值4.154.173.753.513.04模态阻尼0.0430.0450.0540.0490.043

在动力响应试验中,分别采用8Hz,20Hz,24Hz,40Hz这4种不同频率的正弦激励对试件进行激励,同时调节电场强度的大小。为便于比较,激励和测量点位置保持不变。测量结果如图5。为直观起见,表4列出了具体的响应幅值变化情况。表4　试件动力响应幅值随电场强度的变化电场强度/kV󰀁mm-100.51.01.52.0激励频率8Hz

最大幅值0.5640.5410.4730.3720.268减小百分比/%-4.116.13452.5激励频率20Hz

最大幅值0.7650.7490.6880.4860.193减小百分比/%-3.710.637.475.2激励频率24Hz最大幅值0.2140.1850.1510.1320.123

减小百分比/%-13.5529.438.342.5激励频率40Hz最大幅值0.04110.0380.03130.02970.0311

减小百分比/%-7.5423.827.7424.3 从试验结果看,当激励频率为20Hz时,电场强度为1.5kV/mm时结构测点的稳态振动幅值是无电场作用时的62.6%,而当激励频率为40Hz时,电场强度为1.5kV/mm时同一测点的稳态振动幅值却为无电场作用时的72.26%。由此可见,对同一频率的正弦激励,响应幅值随外加电场的增大而减小,而对于不同频率的正弦激励,响应幅值减小幅度不同,当激振频率靠近共振频率时,响应的抑制效果较好;当激振频率远离共振区域时,响应的抑制作用较差。

459第4期孟　光等:电流变液夹层板结构动态特性及振动控制的实验研究

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流变性能实验报告(3篇)

流变性能实验报告(3篇)

第1篇一、实验目的本次实验旨在研究不同条件下聚合物材料的流变性能，包括剪切粘度、剪切速率、离模膨胀效应等，以期为聚合物材料的加工和应用提供理论依据。

二、实验原理流变学是研究物质在外力作用下流动和变形的学科。

聚合物材料在加工过程中，如注塑、挤出等，会受到剪切应力、剪切速率和温度等外界因素的影响，从而表现出不同的流变性能。

本实验通过改变实验条件，研究聚合物材料的流变性能，并分析其影响因素。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等聚合物材料。

2. 实验仪器：流变仪、温度控制器、剪切速率控制器、电子天平、烘箱等。

四、实验方法1. 样品制备：将聚合物材料分别加热至熔融状态，然后倒入模具中，制成一定厚度的样品。

2. 实验步骤：（1）将样品放入流变仪的样品盒中，设置实验温度和剪切速率。

（2）启动流变仪，记录剪切应力、剪切速率、温度等数据。

（3）分析数据，研究聚合物材料的流变性能。

五、实验结果与分析1. 剪切粘度与剪切速率的关系实验结果表明，不同聚合物材料的剪切粘度随剪切速率的变化规律不同。

对于PE、PP等聚合物材料，剪切粘度随剪切速率的增加而降低，表现出剪切变稀现象；而对于PVC等聚合物材料，剪切粘度随剪切速率的增加而增加，表现出剪切变稠现象。

2. 离模膨胀效应实验结果表明，聚合物材料的离模膨胀效应与其分子结构和加工条件密切相关。

在相同条件下，PE、PP等聚合物材料的离模膨胀效应较小，而PVC等聚合物材料的离模膨胀效应较大。

3. 温度对流变性能的影响实验结果表明，温度对聚合物材料的流变性能有显著影响。

随着温度的升高，聚合物材料的剪切粘度降低，离模膨胀效应增大。

六、结论1. 不同聚合物材料的流变性能与其分子结构和加工条件密切相关。

2. 剪切速率、温度等因素对聚合物材料的流变性能有显著影响。

3. 了解聚合物材料的流变性能有助于优化加工工艺，提高产品质量。

七、实验注意事项1. 实验过程中应注意安全操作，避免发生意外事故。

含电流变体砂浆复合梁结构振动固有频率的理论研究

含电流变体砂浆复合梁结构振动固有频率的理论研究


第一作者 逯静洲 男 ， 博士后 ， 副教授 ， ７ 年生 １ ３ ９ 通讯作者 李庆斌
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第４ 期
逯静洲等 ：含 电流变体砂浆复合 梁结构振动 固有频率的理论研 究
由于线弹簧模型长度为零 ， 故其两侧具有相同的 坐标值 ， 作用在线弹簧模型上 内力将有
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振 第 ２ 卷第 ４期 ５
动
与
冲
击
Ｊ ＯＵＲＮ ＢＲ Ｉ ＡＬ ＯＦ ＶＩ ＡＴＯＮ ＡＮＤ ＨＯＣ Ｓ Ｋ
含 电流变 体 砂 浆复 合 梁结构 振 动 固有频 率 的理 论研 究
逯静洲
（ ．烟 台大学 １
李庆斌 曲淑英
水利水 电工程 系 ， 北京 １０ ８ ） ００ ４
Ｍ１ ＝Ｍ２ ＝Ｍ Ｑ ＝Ｑ ＝Ｑ 。 ： （） １ （） ２
由于在零长度 的线 弹簧模 型 内， 上作用 的剪力 其
Ｑ和弯矩 不产生相互影 响 ， 故作用在线弹簧模型上 的力与 变形 的关 系可 由 Ｈ ｏｅ定律 得 ｏｋ
Ｍ＝
图 ２ 含 电流 变体 复合 梁试件
中图分类号 ：Ｔ ３２ １ Ｕ ５ ．１ 文献标识码 ：Ａ
０ 引 言
利用智能材料作为传感元件和驱动元件对结构振 动进行控制 ， 当今结构振动控制研究 和应用非常 活 是 跃 的领域。对 于电流 变体 （ｌ ｔ ｒ ｏ ｇ ａ ｆ ｉ ， ｅ ｃｏ ｅｌ ｉ ｌ ｕ ｓ简 ｅ ｒｈ ｏ ｃ ｄ ｌ 称Ｅ Ｒ流体） 在结构振动控制方面 的应用 ， 主要是利用 电流变体的力学性能尤其是表观粘度和剪切屈服应力 迅速 、 可逆变化这一特性 ， 得到一种易于控制 、 连续 可 调的阻尼介质 ， 为结构振动控制研究提供 了一种新 的 思路 。目 前电流变体在土木工程结构振动控制 中的应 用研究主要集中在将其制作成可调整结构参数 的智 能 调节器， 通过调整结构构件参数实现对结构振动 的半 主动控制 ， 减小结构的振动反应 。Ｎｃｓ ａｒ 和瞿 伟 ｉ ｋｉ ｏＭ ｓ 廉教授在这方面开展了系统的研究工作¨２， ｌ 他们建立 Ｊ 了适用于土木工程结构控制用 的 Ｅ Ｒ可调 阻尼器的工 作原理和力学模型 ， 还通过实验验证了这种 Ｅ Ｒ智能阻 尼器力学模型的正确性 ， 并分析 了 Ｅ Ｒ半主动控制结构 的制震 效果 。 已有 人 对 结 合 电流 变 材 料 的夹 层 板 、 梁 和壳结构进行过噪声及振动控制 的实验研究 ｌ ， 是 ４但 Ｊ 象本文这样直接将电流变体埋置到土木工程常用材料 砂浆（ 或混凝土） 中制成智 能复合 结构 ， 通过 调节施 加 在 电流变体上的电压来控制复合结构 的振动特性的研 究还处于探索阶段。 含电流变体 的砂浆 构件 相对 于单 纯砂浆 构件 而 言 ， 优势 在于 其力 学 输 出可 以快 速 调 节 。如 图 １— 其 ２ 所示 ， 笔者开展 了电流变体作 为智能混凝 土结构驱 动 元件的基础性 实验研究 Ｊ完成 了 电流变体复合 于 ， 混凝土结构 中的可行性分析 ； 解决 了包括 电流变体 的 密封、 埋置及分布形式 ， 电流变效应重复使用效果和耐 久性 ， 高压电场的电极布置和绝缘 ， 数字式可控全程调
液体晃动液面动态变形实验的研究

液体晃动液面动态变形实验的研究

液体晃动液面动态变形实验研究杨洋1*石文雄1黄先富2刘战伟1（1北京理工大学宇航学院，100081；2中国科学院力学研究所，100190）摘要：飞行器液体推进剂晃动问题一直是航天工作者研究的热点。

本文发展了一种基于透射条纹技术的液体晃动液面动态变形测量方法。

在发生晃动的液面下方布置单向几何光栅，通过容器上方和水平方向上的高速CCD相机分别记录下因液面变形而产生的条纹变形图和液面边缘高度信息。

将之代入所推导的液面离面变形与条纹位移之间的数学关系中，即可迭代求得液面动态形貌。

本方法具有精度高、成本低、非接触、简便易行等优点。

关键词：液体晃动，透射条纹法，液面动态变形一、 引言现代航天器需要携带大量液体推进剂以便完成长时间、复杂的飞行任务。

液体推进剂的晃动一直是航天器动力学与控制研究的热点问题。

而对于飞行器贮箱液面变形的测量是研究液体晃动特性的前提[1,2]。

然而由于液体具有流动性或不稳定性等特点，为实验研究带来了很多困难。

本文发展了一种基于透射条纹法的针对晃动液面变形的动态全场测量方法，具有精度高、成本低、非接触、简便易行等优点。

二、 透射条纹法测量技术原理如图1所示，当水平液面在竖直方向上发生变形时，从液面上方观察水中或水底的物体，可发现物体的虚像会发生变形，该变形与液面的离面变形及物体所在的空间位置有关。

在透明水槽底部放置拥有固定周期的规则单向几何栅线，当液面发生晃动时，栅线的虚像会发生变形，通过测量透射条纹的变形信息，可进一步推导出晃动液面的形貌。

液面高度与条纹变形几何关系如图2所示。

图1 透射条纹法原理示意图图2 液面高度与条纹变形几何关系示意图将变形的液面曲线分割并近似成无限多段微小折线，根据斯涅耳定律及两者几何关系建立如下方程：*报告人简介：杨洋 1987.3-，男，实验力学，研究生。

E-mail：******************.cnsin sin tan tan()i water i air i i PN i i i i i n n h L s H h βαααβ⎧⎪⋅=⋅⎪⎪=⋅⎨⎪⎪-=⎪-⎩∑ (1) 其中n water 和n air 分别为水和空气的折射率，L PN i 为计算步长。

弹性板吸振控制的无量纲功率流研究

弹性板吸振控制的无量纲功率流研究


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ｌ２ １
振 动 与 冲 击
２０ ０ ７年第 ２ ６卷
定义无量纲参 数 ： 量 比Ｉ 质 － ｚ＝ｍ ／ ， 谐 比 ｙ＝ 。Ｍ 调
、
佤 ＿ ／ 阻尼比 ＝ ｌ ２ ｅ（
）宽长比 Ｒ＝ ／ ， ， ｂａ
收稿
基金
收稿 期 ： ０ ６一 ９一 修改稿收 到 日期 ：０６—１ 一 ２ 日 ０ ０ ２ １ ９ 稿收 日 ２ ０ 一 １—２ 期
日＝
， ∞ｍ
＋
ｃ ＋ ， ／ ∞）
（） ２
第一作者 宛敏红 男， １ ２ 月生 硕士，８ 年９ ９
式 中 ， ｃ和 ｋ分 别 为 吸振器 的质 量 、 ｍ 阻尼 和 刚度 。
摘 要 运用功率流的方法研究 了动力吸振器用于抑制简支矩形薄板简谐振动的问题 ， 为使研究结果具有一般
性 ， 系统中 的结构导 纳和功率流进行 了无 量纲化 。以控制频率范 围内输入主振 系的净功率流 最大值最小化为 优化设计 将
方法 ， 的第 一阶共振 的吸振 问题进行 了计算 和分析 ， 显示 ， 对板 结果 吸振器 能有 效 的抑制 主系统 的净功率 流峰值 ， 大质 增 量 比可 以提高控制效果 ， 这在质量 比较大 时并不理想 ， 但 并且在 实际工程 中 ， 不需要 知道主振 系损 耗因子 的精确值 。 关键词 ：动力 吸振 器 ， 矩形薄板 ， 功率流 ， 优化设计
和ｙ ， ２ 两点间的传递导纳分别记为 ｙ 和 ｙ ， ２ ２ 】 设板的内 ： 阻尼为固体型 ， 由薄板振动理论 ， 则有 』
ｚ Ｙ
Ｄ
口
图 １ 附加 动力吸振器 的简支 矩形薄板
ｊｏ ＇ ￣ ４￣ ｔ
式中√ ＝ ， ∞为激励力频率， 为板的质量， Ｍ 为 ￣ ／ ｊ