电流变液在结构振动抑制中的应用研究

　　引　言

　　某些悬浮液体在电场作用下粘度急速增大的现象,叫做电流变效应,这种悬浮液称为电流变液。把电流变液应用于实际的工程结构中,是近年来各国工程技术领域一个比较引人注目的研究方向,并取得了一定的突破。电流变液最吸引人的特点就是调节施加的电场,可以迅速改变其表观粘度和屈服应力,使其从流动性良好的牛顿流体转变为剪切屈服应力很高的粘弹塑性体。这种优良的机电耦合性能,使它开始应用到航空航天、机械工程、汽车工程、控制工程和机器人研究领域。对于其在结构振动抑制方面的应用,主要是利用电流变液的力学性能尤其是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,为结构振动抑制研究提供了一种新的思路。本文根据可控阻尼介质应具有低零场粘度、较大有场粘度变化梯度的要求,研制出了几种淀粉硅油型电流变液,并对含有电流变液的夹层板单模态振动抑制进行了初步研究。

　　1　电流变液的研制

　　1.1　电流变液研制及性能测试

　　本文对无机非金属材料,如二氧化硅、碳、石灰石、石膏、粘土和硅铝酸盐,有机半导体和高分子材料,象纤维素、酞青铜、聚乙烯醇、淀粉、聚苯胺、十二烷基硫酸钠和氧化聚丙烯腈,分别都被用作固体颗粒进行了试验,发现在各种电流变液中,满足可控阻尼介质要求且电流变效果最好的是淀粉硅油类的电流变体。为此我们就这类电流变液,以不同的组份比和添加剂共配制出十一种配方,然后对不同组份比的电流变液分别进行了性能测试。

　　图1是根据文献[1]中的设计思路并结合实际条件,设计并制作的一套电流变液静态屈服应力的测试仪,在图中,液槽1用以盛放电流变液,由绝缘的复合材料制成。负电极2由厚度为1.5mm的金属板制成,同槽1紧密地粘合在一起。由同样金属板所制的正电极3同上面的滑块5紧密粘贴,可以沿水平导轨6近似无摩擦地滑动。滑块5由绝缘的有机玻璃制成,同液槽1一样也是为了保证良好的绝缘性。正负电极板2和3之间均匀充盈电流变液体4。我们通过旋转细调螺钉7给弹簧片8平稳地施加推力,这时弹簧片便通过电极3给电流变液施加剪切力。直至电极3开始运动的瞬间,电流变液所承受的最大剪切应力可由贴在簧片上的应变片9测量。对贴有应变片的弹簧片进行推力应变关系标定后,就可换算获得电流变液所承受的最大切应力,也就是它的静态屈服应力。图中件号10为一铰轴。

　　1.2　电流变体的性能

　　在对电流变液进行测试时,首先标定弹簧的弹性系数k(N/LE),然后测定电流变液的静态屈服应力。我们直接得到的是不同电场强度下电流变液发生静态屈服时应变片的应变值(与电流变液的静态屈服应变成正比),它同电流变液组份质量比间的关系曲线如图2所示。可以看出,电流变液零场静屈服应变值随固体颗粒质量比增大而增大。其增大的趋势是非线性的,呈类抛物线递增。而且我们还可以发现,无论是有场或无场,在变化过程中存在一个大约在0.8左右的临界质量比,当固体颗粒的质量比小于临界质量比时,电流变液的屈服应变随质量比变化不是很大。一旦超过临界质量比时,就会产生一个明显的飞跃。而且这个临界质量比随外加电场强度的变化不大。临界质量比的确定为我们选择合适的组份质量比提供了依据。值得注意的是,并不是可以尽量地增大固体颗粒的质量比,因为随着质量比的增大,零场粘度也在以相同趋势增大,对于可控阻尼介质是很不利的。经过权衡考虑,本文的抑振实验中选取固体分散相颗粒同分散介质质量比为0.8的电流变液,一方面保证了电流变效应,另一方面也限制了零场粘度。