剪切增稠液及阻尼器性能研究
2013-09-15郭朝阳宗路航宣守虎龚兴龙
周 鸿,郭朝阳,宗路航,宣守虎,龚兴龙
(中国科学技术大学 近代力学系,中国科学院材料力学行为与设计重点实验室,合肥 230027)
冲击、振动为较普遍自然现象,广泛存在于工业生产、军事设备中。为避免其造成的干扰及破坏,冲击与振动的能量吸收与耗散颇受重视。粘滞液体阻尼器便是诸多能量耗散设备中的一种。该阻尼器一般由弹性单元与粘性单元组成,二者分别由弹簧及粘滞介质提供[1-2]。常见的粘滞介质为牛顿流体,即其粘度为常数,构造尺寸确定阻尼力输出特性,故无法满足复杂的工况需求。为此,新型的主动或半主动材料如电流变液、磁流变液被用于研发、制造阻尼设备[3-6]。该材料自身的流变特性能在电场或磁场作用下发生改变,通过改变控制电场或磁场电流改变材料的粘度特性,以适应不同的外界加载情况[7-8]。目前已广泛应用于减震器、离合器、制动器等设备。而其不足之处在于工作时需有外部激励电源,且因附加电场或磁场装置导致设备结构复杂。
STF为场响应材料,其流变特性随外加应力场的变化而变化。与电流变液、磁流变液等不同,STF勿需外部激励电源,其粘度随剪切速率变化而变化。研究表明STF在高速冲击下会发生固化,粘度急剧升高,而外载撤去后,STF又能迅速恢复液态[9-12]。STF粘度随剪切速率急剧上升表现出的强烈非线性特点,已引起学界关注。对STF一系列研究揭示了纳米颗粒大小、分散介质粘度、温度、剪切应变幅值等因素对剪切增稠效应均具重要影响[9,13-18]。运用如流变光学、中子散射、计算模拟研究 STF的转变过程及增稠机制[19-21]。其中“粒子簇”理论得到广泛支持[22-23]。Galindo-Rosales等[24-25]据STF实验结果提出表观粘度的现象模型。随着对STF的深入研究,其抗冲击性能得以重视,逐渐用于制造防护装置。Lee等[26-28]将STF加入复合增强纤维中以研究其防穿刺能力。Zhang等[29]设计以STF为粘滞介质的单出杆粘滞阻尼器并研究其动态特性。
以STF为基础的耗能减震设备特点为无源、自适应、结构简单。目前关于STF的研究多集中在性能表征及影响因素,减震抗冲击应用研究相对较少。本文通过将STF与实际设备结合,并考虑在不同工况下的动态性能,为进一步工程应用奠定基础。研究中,制备以聚苯乙烯-丙烯酸乙酯纳米粒子为分散介质,乙二醇为分散相的剪切增稠液,并测量其流变特性。以此为基础,设计加工双出杆式阻尼器原型样机,并测试其动态特性。通过有效刚度、有效粘滞阻尼建立线性模型,比较不同加载工况下的阻尼器性能,定性地评价阻尼器的弹性特性、阻尼特性。
1 剪切增稠液材料及性能测试
用乳液聚合法,以上海国药集团生产的苯乙烯(ST)及丙烯酸乙酯(EA)为原料,加入过硫酸钾(KPS)引发剂,水浴加热至70℃进行反应,对生成的反应物清洗、烘干,得到聚苯乙烯-丙烯酸乙酯(P(ST-EA))纳米颗粒。所有操作均在氮气环境下进行。图1为扫描电镜拍摄的纳米颗粒。由图1看出,P(ST-EA)纳米颗粒呈规整球形,整体形貌良好,粒径均一,单分散性较好,平均直径约430 nm。采用由P(ST-EA)纳米颗粒(质量分数为68%STF样品)、乙二醇混合而成的STF。取出一定量纳米颗粒逐次加入乙二醇中,并用球磨机研磨,使纳米颗粒均匀分散在乙二醇中,从而获得实验所需剪切增稠液。
图1 聚苯乙烯-丙烯酸乙酯纳米颗粒的扫描电镜图Fig.1 SEM images of P(ST-EA)particles
用流变仪(MCR301,Anton Paar Company,Germany)的锥板部件对STF进行常温(25℃)下流变性能测试。锥板直径25 mm,锥顶角0.2°,锥板与样品载物台平面间隔0.05 mm。实验时采用流变测试标准程序,并在测试开始前进行预剪切。测试重复三次,取平均值作为实验结果。
图2为STF样品三次重复测试的流变性能曲线。在流变测试中,剪切速率从0变化到200 s-1。由图2看出,STF的粘度变化呈现,显著的非线性及良好的重复性。剪切速率较小时STF粘度随剪切速率增大而减小;超过临界剪切速率时STF粘度急剧增大,而后又减小。剪切速率较高时有部分STF样品从锥板边缘被甩出,使测量所得STF粘度值并不准确,但Laun等[10]研究表明STF粘度达到最大值后粘度随剪切速率的增大会再次减小,减小幅度远小于图2所示。STF样品的初始粘度约15 Pa·s,临界剪切应变速率为20 s-1,最大粘度接近180 Pa·s。
图2 STF流变性能测试曲线Fig.2 Rheological properties of STF
图3 储能、耗能模量实验曲线Fig.3 Storage modulus and loss modulus of STF
图3(a)、图3(b)分别为动态应变扫描测试及动态频率扫描测试中储能模量(G’)与耗能模量(G”)的变化曲线。由图3(a)看出,当剪切应变速率处于临界剪切速率(45 s-1)以下时,储能、耗能模量大小相当,约100 Pa。当超过临界剪切应变速率后,储能、耗能模量迅速增大,储能模量最大值达300 Pa,耗能模量最大值达1500 Pa;而在动态频率扫描测试的图3(b)中,储能模量最大值为12 kPa,耗能模量最大值为21 kPa。其中耗能模量增大的速率明显高于储能模量,由此表明STF样品耗能能力在短时间内得到迅速提升。使STF作为一种新型能量吸收、耗散材料可有效用于抗冲击及减震设备(如阻尼器、制动器等),具有巨大的开发价值。
2 阻尼器设计
STF阻尼器样机结构示意图见图4。采用双出杆式设计,避免单出杆式附加腔室对剪切增稠性能影响,亦使拉压加载时能输出对称的阻尼力。阻尼器内部充满STF,当外界施加载荷时,活塞杆运动,迫使活塞一侧的STF经活塞与气缸内壁间隙流至另一侧。由于粘度影响,在STF与机械表面间生成的粘滞阻力为阻尼器提供输出力。通过对流动间隙大小的设计,可调节STF流过间隙时的剪切应变速率;也能通过制备拥有不同流变特性的STF,使阻尼器工作在STF的剪切增稠区间内,粘度增大,输出阻尼力提高,耗能能力上升。
图4 剪切增稠液阻尼器结构示意图Fig.4 Configuration of STF - filled damper
阻尼器位移幅值±10 mm,气缸直径50 mm,活塞杆直径15 mm,活塞直径44 mm,即活塞与气缸内壁间隙为3 mm。
3 阻尼器性能测试
用材料测试系统(MTS 809)研究STF阻尼器的动态特性。阻尼器与实验装置安装见图5。阻尼器纵向固定在MTS上。MTS下部由液压驱动控制输出位移,并利用LVDT采集位移信号,上端部通过力传感器测量阻尼力数值,并通过数据采集系统保存在电脑中便于后续处理。用正弦激励作为位移信号输入,对不同激励振幅及激励频率下阻尼器的动态特性进行测试。每次测试重复十次,取稳定时的平均值得到输出力-位移的滞回曲线。测试的激励振幅分别为1 mm,2 mm;激励频率分别为 0.1 Hz,0.2 Hz,0.5 Hz,1 Hz,2 Hz,5Hz。
图5 剪切增稠阻尼器及MTS测试系统Fig.5 Schematics of STF-filled damper and MTS
对流动间隙3 mm的阻尼器进行MTS测试研究其动态特性。不同振幅、频率下的阻尼力、位移关系见图6。由图6看出,滞回曲线形状对激励频率、振幅的变化非常敏感。当激励频率较小时(图6(a)、图6(c)),活塞速度较低,剪切速率亦较低,STF有轻微的剪切变稀行为。滞回曲线呈倾斜的橄榄状,有微弱的粘弹性行为。阻尼器输出的最大阻尼力大小基本不变,约100 N。随着激励频率增大至临界频率,活塞速度增大,剪切速率随之增大,导致STF发生剪切增稠,粘度跃升。此时滞回曲线发生巨大改变(图6(b)、图6(d)),输出阻尼力显著增大,但其饱满程度明显下降。图6(b),当激励振幅为1 mm、激励频率1 Hz时,最大阻尼力由100 N升高到5 000 N,滞回曲线主轴斜率明显增大。随着激励频率继续增大,最大阻尼力略有增加;当激励频率为5 Hz时达6 400 N。此外,最大阻尼力及激励振幅亦有密切联系。由图6(d)看出,当激励振幅2 mm、激励频率0.5 Hz时,阻尼器输出的最大阻尼力由100 N升高到7 000 N。表明随着激励频率继续增大,输出的最大阻尼力仍有明显增加,当激励频率为1 Hz时最大阻尼力可达11 000 N。
由不同激励振幅实验结果对比中看出,当激励频率较低时,输出的阻尼力大小基本相等。随着激励频率升高,活塞速度增大,激励振幅较大的阻尼器率先达到临界速率,输出的阻尼力激增。说明STF阻尼器低频时输出力与激励频率、激励振幅及活塞速度无关,高频时表现为速度相关型阻尼器特征。
值得注意的是,当阻尼力处于零值附近时,滞回曲线产生显著的平移现象,使滞回曲线饱满程度下降,其原因为STF初始粘度大,流动性较差,活塞运动引起剪切增稠效应,使STF发生固化;而激励频率较高时STF未能及时恢复成液态,阻碍了STF在气缸中的流动,导致活塞一侧留有少量空隙,阻尼器输出力曲线发生一定程度平移,造成其饱满程度下降。另外,活塞拉压运动时阻尼器输出力不相等,可认为因阻尼器纵向安装,使阻尼器两端密封处STF分布不均,从而对活塞杆与密封圈的摩擦力形成影响,导致阻尼器的输出力产生差异。
图6 不同工况下的力-位移曲线Fig.6 Experimental force-displacement loops for STF-filled damper with varied frequency and amplitude
图7 最大输出力与最大活塞速度关系Fig.7 Maximum force versusmaximum velocity of piston
图8 有效刚度、有效粘滞阻尼随激励频率变化曲线Fig.8 Effective stiffness and viscous damping versus frequency
图7为阻尼器最大输出力与活塞速度最大值关系曲线。由图7看出,随着活塞速度超过临界值,阻尼器内部STF发生剪切增稠,使阻尼器输出的阻尼力急剧增大,由100 N上升到10 000 N以上。激励振幅增大,临界剪切速度减小,阻尼器更快进入剪切增稠区间,输出阻尼力的极值随之增大。
4 试验结果分析
STF阻尼器输出的力-位移滞回曲线表现出弹性刚度与粘滞阻尼的双重特性。用同时考虑刚度、阻尼影响的线性模型描述阻尼器性能,表达式为:
其中:keff为有效刚度;ceff为有效阻尼;x为活塞偏离平衡位置位移。有效刚度、有效阻尼可表示为:
其中:A+,A-分别为活塞偏离平衡位置的正负位移幅值;F+,F-为活塞位移分别为A+,A-时的输出阻尼力;wd为每次加载循环耗散能量,即输出力-位移滞回曲线围成的面积;ω为激励角频率;A为激励振幅。
图8(a)、图8(b)分别为激励振幅1 mm、2 mm时有效刚度、有效粘滞阻尼随激励频率变化曲线。由图8(a)看出,激励频率较低时,阻尼器的有效刚度为70 N/mm,有效粘滞阻尼为85 N·s/mm;激励频率逐渐升高时,有效刚度并无明显变化,而有效粘滞阻尼逐渐减小至25 N·s/mm,此因为STF处于低剪切速率时粘度随剪切速率增大而减小;激励频率超过临界频率后,有效刚度、有效粘滞阻尼均有显著增大,分别达到4 500 N/mm、310 N·s/mm;随着激励频率继续升高,有效刚度继续增大,达到5 800 N/mm,但增大速度减小,有效粘滞阻尼却迅速下降到初始水平,约为65 N·s/mm。图8(b)中有效刚度、有效阻尼变化趋势与之相同,但有效刚度较小,随激励频率增大由40 N/mm升高至4 800 N/mm,有效粘滞阻尼最大值为760 N·s/mm,达1 mm激励振幅的两倍。表明激励振幅增大,阻尼器刚度减小,粘滞阻尼增大,耗能能力提高。
结合MTS实验结果(图6)进行分析,认为起始工作时,STF阻尼器表现出轻微的粘弹性效应,激励频率升高,STF进入剪切变稀工作区,粘度减小,使有效粘滞阻尼减小;激励频率升高到临界频率以上,STF粘度激增,从而阻尼器输出的阻尼力急剧增大,有效刚度、有效粘滞阻尼亦迅速增大,有效刚度持续上升的原因为STF发生剪切增稠而出现类固化,在剪切速率变化过程中无法及时完全恢复为液相,使流动间隙发生部分壅塞,造成活塞对一侧液体形成压缩。
5 结论
(1)通过制备的以聚苯乙烯-丙烯酸乙酯纳米粒子为分散介质、乙二醇为分散相的剪切增稠液,测量其流变特性表明,在低剪切应变速率下,STF粘度随剪切应变速率增大而减小,有轻微的剪切变稀;达到临界剪切应变速率后,其粘度急遽增大,有强烈的剪切增稠。且其储能、耗能模量与粘度变化趋势相同。在一定剪切应变速率范围内,耗能模量可达21 kPa。
(2)研制以STF为工作介质的双出杆间隙式粘滞阻尼器,并用MTS测试其在不同激励频率、激励振幅下的动态响应。用以有效刚度、有效粘滞阻尼建立的线性模型定性评价STF阻尼的弹性效应、粘性效应,发现当活塞速度低于临界速度时,STF阻尼器输出力很小;当活塞速度超过临界速度时,输出力迅速增大,有效刚度、有效粘滞阻尼亦急剧增大,可大大提高阻尼器的耗能能力。随着活塞速度继续增大,由于STF剪切增稠造成的类固化未能完全恢复,使阻尼器仍能提供很高的阻尼力。
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