CN109356963A - 一种电磁铁与sma板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，每个减振单元设置有：电磁铁、SMA板、铝板，多个单元塔式排列组成减振结构，依靠SMA板屈曲变形和电磁铁磁力的共同作用，实现减振吸能的目的。本发明融合超弹性记忆合金材料阻尼与电磁铁阻尼两种阻尼，减振性能高；通过对SMA板和电磁铁的通电电流的控制，实现刚度和阻尼的主动调节。根据电磁铁通电电流的大小，分为常规阻尼模式和驱动阻尼模式。常规模式下，电流较大，阻尼器压缩后自动恢复原状。驱动模式下，电流较小，压缩后需要恢复时，SMA板通电加热发生相变，依靠相变回复力耦合电磁铁斥力的作用使机构恢复原状。本发明无需密封，使用寿命长、适用范围广、可靠性高。

Description

一种电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器

技术领域

本发明涉及一种减振阻尼器，特别是涉及一种可变主动调节的多胞元阻尼器，其利用电磁铁磁力与结构力耦合，吸收振动能量，并利用形状记忆合金(SMA)板在高温下的回复力耦合电磁铁的磁力，使结构恢复原状。

背景技术

航空航天器需要多种减振机构来实现关键部件的减振功能，如飞机起落架的振动吸收、火箭发射时的振动吸收等。在减振机构的发展中，国内外提出了许多方案，主要有液压阻尼减振器、空气阻尼减振器、弹簧减振器等。

液压阻尼减振器阻尼力大、动态响应快，但因液压油的存在，而易出现如下问题：容易漏油，运动的平稳性和减振效率受到影响；油液易被尘埃或流体介质中其他杂质污损，造成液控系统发生故障；油液具有易燃性，有引起爆炸的危险；液体粘度受温度影响，使供油量和执行机构的运动速度不稳定；油液中有空气会引起工作机构的不均匀跳动。

空气阻尼减振器结构较为简单、重量更轻，不足的是油封要求高，充气工艺复杂，不易维修，而且当缸筒受外界较大冲击时，甚至会出现不能工作的情况。

弹簧减振器的优点是压缩量大，但由于存在自振现象，易传递中频振动，且阻尼小，隔振性能比较差。

发明内容

本发明主要针对现有技术中存在的密封困难、工艺复杂、隔振性差、不能主动控制的问题，提供了一种不需要密封、工艺简单、吸能多、扩展性好、可主动控制、可重复使用的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器。

本发明采用的技术方案为：一种电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，包括：

波浪形的SMA板，其中部内侧粘有电磁铁，两端连接在刚性的铝板上；波浪形的铝板，其凹度要比SMA板小，中部内侧粘有电磁铁，两端连接在SMA板的两端；

在每块SMA板的两端都连接有通电的导线，为该SMA板单独通电；

在每个电磁铁的两端都连有通电的导线，为该电磁铁单独通电；

SMA板和电磁铁之间由绝缘橡胶实现绝缘；

铝板通过氧化铝陶瓷镀层或绝缘漆实现绝缘；

一块SMA板、一块铝板及其中的电磁铁构成一个减振结构单元，多个结构单元构成一个完整的减振结构。减振结构单元的排列是类似于金字塔式的塔式排列形式，顶层只有一个结构单元，第二层有两个结构单元，第三层有三个结构单元，同一层结构单元相邻的端部彼此相连，第二层两个结构单元的顶部通过刚性板连接第一层结构单元的两端，第三层结构单元的顶部连接第二层结构单元的端部；

在每个第三层的结构单元的两端都连有垂直刚性板，用以力的输出。

本发明的原理在于：

本发明电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，所设置的SMA板，其中部外侧用于承受外力，中部内侧粘有电磁铁，两端与硬质铝板连接，硬质铝板的中部内侧也粘有电磁铁。承载压缩过程中，SMA板在外力的作用下发生屈曲，吸收大部分的振动能量。电磁铁保持通电状态，同一单元中的磁铁之间产生斥力，增强对振动能量的吸收能力。恢复过程中，通过调整电磁铁的通电电流，可以实现两种恢复模式的切换：第一种是常规阻尼模式，这种模式下电磁铁通电电流大，使得产生的电磁力足够大，此时压缩后阻尼器会直接自动回弹；第二种是驱动阻尼模式，这种模式下电磁铁通电电流小，产生的电磁力小，阻尼器压缩后会保持压缩状态，当需要恢复原状时，SMA板通电加热发生相变，产生回复力，驱动结构恢复原状，与此同时，电磁铁通电产生的磁性斥力，耦合SMA相变回复力的作用，加速结构的恢复。

本发明的技术解决方案是：

采用一个波浪形状的SMA板，板的两端分别被连接固定在硬质刚性的铝板上，板的中部外侧受力，在SMA板受压变形的过程中，由于板的两侧被固定，所以板发生屈曲，板的内侧中部固定有电磁铁，同样在铝板的内侧中部也有电磁铁，SMA板屈曲之后，SMA板上的电磁铁抵在铝板上的电磁铁上，阻碍SMA板的进一步变形。此时，剩余的能量通过铝板两端的固定点传给第二层的减振结构单元，第二层单元的SMA板发生变形屈曲，吸收一部分能量，之后第二层单元的SMA板上的电磁铁抵在了对应的铝板上的电磁铁上，阻碍SMA板的进一步运动。接着，剩余的能量被传到第三层的减振单元吸收，力则通过固定在结构下面的铝板传出，压缩过程结束。

在回复过程中，可以使用常规方式，单独给电磁铁通电让结构自动回弹；也可以使用驱动方式，同时给SMA板和电磁铁通电，使SMA板在相变回复力和电磁铁磁力的共同作用下恢复原状。

本发明与现有的技术相比，具有不需要密封、工艺简单、吸能多、扩展性好、可以主动控制等特点，具体表现在以下几个方面：

本发明采用的减振吸能原理是SMA梁的屈曲与电磁铁磁力的耦合，所以不存在需要密封的问题，而且这种结构工艺简单，不需要复杂的附属结构，可以独立存在。

本发明采用结构梁屈曲和电磁铁耦合减振吸能，解决了单纯依靠结构梁减振时吸能少的弊端，而且通过控制电磁铁的通电量，可灵活控制吸能的多少。

本发明采用减振结构单元的层层叠加，增加吸能的效果，这种方式可以通过控制减振吸能结构单元的层数，来获取需要的吸能效果和适应不同的工作空间，扩展性好。

本发明采用SMA板和电磁铁耦合控制来实现结构的恢复，通过调整SMA板和电磁铁的通电电流来控制恢复过程，实现主动控制。

本发明采用电磁铁和波浪型结构的耦合，可以实现压缩变形直接回弹和主动控制回弹两种不同工作模式之间的转换，从而适应不同的工作条件。

附图说明

图1为本发明电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器的初始结构状态示意图。

图2为本发明电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器的一层压缩结构状态示意图。

图3为本发明电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器的二层压缩过程状态示意图。

图4为本发明电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器的完全压缩过程状态示意图。

图5为本发明电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器单元的结构图。

图6为本发明中的SMA板的变形力-位移曲线。

图7为本发明中的SMA板的变形能量-位移曲线。

图8为本发明所述电磁铁通电前后不同模式的力-位移曲线的变化。

图9为本发明所述常规阻尼模式下加载-卸载的力-位移曲线的变化。

图10为本发明所述驱动阻尼模式下加载-卸载的力-位移曲线的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，在初始状态下，本发明的每个减振单元中，SMA板4的两端被刚性的铝板3两端约束，使其不能沿径向展开，只能发生屈曲变形。SMA板4中部的内侧粘有电磁铁1，电磁铁1和SMA板4是单独通电的；在刚性铝板3中部的内侧粘有电磁铁2，通电时，电磁铁1和电磁铁2极性相同，互相产生斥力，该斥力能够减缓SMA板4和铝板3之间的相对运动，使得结构在承受载荷时，能吸收更多的能量。

如图2所示，承载状态下，第一层的SMA板4发生了屈曲现象，此时SMA板4的中部内侧电磁铁1抵在硬质铝板3的内侧电磁铁2上，电磁铁1、2接触后，停止对电磁铁1、2的通电，SMA板4保持屈曲状态不回复，第一层结构单元被压缩。如图3所示，承载状态下，当第一层的结构单元被压缩后，第二层的结构单元中的SMA板发生屈曲现象，其对应的结构单元中的电磁铁相互抵在一起，电磁铁接触后停止通电，SMA板不回复。如图4所示，承载状态下，当第一层和第二层的结构单元都被压缩后，第三层的结构单元中的SMA板受压发生屈曲现象，结构单元中对应的电磁铁抵在一起，电磁铁停止通电，结构单元处于压缩状态。

回复过程中，每一层的SMA板均通电，电磁铁通电产生磁性，且极性相同，产生相互之间的斥力，SMA通电产生回复力，这两种力均推动屈曲梁结构回复，使回复迅速，且可靠性高。

本发明的工作过程如下：

如图1所示的是机构的初始状态，此时各层减振单元的SMA板均处于正常弹开状态，SMA板的两端与硬质铝板的两端连接，约束了SMA板的空间位置。SMA板的内侧粘有电磁铁，这块电磁铁的极性与对应的硬质铝板上的电磁铁的极性是相同的，它们之间存在相斥的磁力。而SMA板、硬质铝板、两个电磁铁组成了减振结构单元，由减振结构单元又组成了塔式的减振结构整体。承载时，第一层的结构单元中的SMA板首先受到压缩，产生屈曲现象，过程中这对电磁铁通电产生斥力，在这层结构单元压缩完成后，电磁铁抵在一起，电磁铁不通电，SMA板保持。随后是第二层以及第三层的结构单元中的SMA板发生屈曲，同样的电磁铁操作，随后整个结构被压缩，完成减振吸能过程。当吸能结束后，需要结构恢复原状以备下次使用，此时结构中的SMA板以及电磁铁均通电，SMA板通电内部发生相变，产生回复力，磁铁产生斥力，两个力耦合共同使磁铁恢复原状。

另外，经过表面镀层处理的刚性铝板3，属于不导电、不导磁、不易变形的材料，当然也可采用公知的其它材料如钛合金板来代替。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于：位于结构单元上部的电磁铁(1)，粘在波浪形状的SMA板(4)上，位于结构单元下部的电磁铁(2)，粘在大刚度的铝板(3)上，SMA板(4)和铝板(3)两端连接在一起，多个结构单元通过刚性梁连接在一起，形成多胞元塔式结构的阻尼器；

所述阻尼器顶部承载时，电磁铁(1)、电磁铁(2)通电，各结构单元中的电磁铁极性均相同，形成斥力，电磁铁的斥力与SMA板(4)变形时的结构力耦合，增强能量吸收效果，上层的结构单元压缩后，SMA板(4)处于屈曲变形状态，电磁铁(1)、电磁铁(2)抵在一起，通过刚性的铝板(3)把力传递给下一层的结构单元，由此，载荷经过逐层的分散和传递，最终由刚性梁(5)传导出去，能量也经过逐层的衰减，达到减振吸能的目的；

所述阻尼器压缩后，利用电磁铁(1)、电磁铁(2)通电产生的磁性斥力和SMA板(4)通电加热发生相变而产生的相变回复力，可使阻尼器恢复原状。

2.根据权利要求1所述的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于，根据应用场合的实际需要，可通过调节电磁铁通电电流的大小，改变电磁铁之间产生的电磁力，从而选择不同的恢复方式，实现阻尼器在常规阻尼模式和驱动阻尼模式两种工作模式的切换；常规模式下，电磁铁(1)、电磁铁(2)之间的通电电流足够大，使得产生的电磁力足够大，此时变形后阻尼器会直接自动回弹；驱动模式下，电磁铁(1)、电磁铁(2)之间的通电电流小，使得产生的电磁力小，此时变形后阻尼器会保持压缩状态，当需要恢复原状时，SMA板(4)通电加热发生相变产生回复力，相变回复力耦合电磁铁(1)、电磁铁(2)之间的磁性斥力，驱动结构恢复原状。

3.根据权利要求1所述的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于，在驱动阻尼模式中，所述SMA板(4)在通电回复过程中因受热发生相变而产生的相变回复力，会与电磁铁(1)、电磁铁(2)之间通电产生的磁性斥力耦合，使结构能成功恢复并缩短恢复时间。

4.根据权利要求1所述的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于，在驱动阻尼模式中，所述SMA板(4)通电加热发生相变，形成回复力，通过调节电磁铁的通电电流大小，能实现阻尼器回复过程的主动控制。

5.根据权利要求1所述的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于，SMA板为高阻尼材料，使阻尼器的一次工作循环中可包含多个超弹性SMA板的加载－卸载过程，充分利用了SMA的材料阻尼进行耗能。

6.根据权利要求1所述的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于，SMA板所构成的多层波浪型结构，增大了结构的变形程度，实现结构大位移的阻尼减振，有效增加了阻尼器所能承受的振幅和变形。

7.根据权利要求1所述的电磁铁与SMA板耦合的可变主动调节多胞元阻尼器，其特征在于，引入电磁铁，其通电产生的电磁力，提高了结构刚性，增加能量吸收能力；引入SMA板作为结构材料，由于通电电流可控，产生的回复力同样可控，实现了阻尼器刚度与阻尼的主动调节功能。