華中科技大學機械學院開題報告模板

一．課題來源、目的、意義，國內(nèi)外基本研究概況1.課題來源本課題來源于國家973重點基礎(chǔ)研究計劃項目“IC制造裝備基礎(chǔ)問題研究”之課題5“大慣量多體系統(tǒng)的多場多尺度建模與納米精度運動生成”（編號2009CB724205）。2.研究目的以新型電磁阻尼器為對象，對設(shè)計好的模型進行性能研究。利用Ansoft軟件，建立性能分析模型，通過改變該阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)得到不同的仿真和實驗數(shù)據(jù)，對比二者并修正模型。并對比不同情況下的隔振效果，區(qū)分阻尼器的好壞，并選出最佳參數(shù)組合。3.研究意義在工程技術(shù)中，設(shè)備或結(jié)構(gòu)的振動是一種廣泛存在的現(xiàn)象。多數(shù)情況下振動是有害的，它使機械或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞和破壞，或引起聯(lián)接部件間的微振磨損、縮短零部件的使用壽命；振動會破壞精密儀器、儀表的正常工作條件，降低其性能甚至使之失靈。此外振動及其產(chǎn)生的噪聲還會嚴重污染工作環(huán)境，危害人類健康。因此如何避免有害振動一直是人們關(guān)注對象，這促使減震隔振技術(shù)得到較快的發(fā)展。抑制振動的方法主要包括抑制振源、隔振、減震及振動的主動控制。隔振就是在振源和振動體之間設(shè)置隔振系統(tǒng)或隔振裝置，以減小或隔離振動的傳遞。隔振分為主動隔振和被動隔振。主動隔振是隔離機械設(shè)備通過支座傳至地基的振動，以減小動力的傳遞；被動隔振是防止地基的振動通過支座傳至需要保護的精密設(shè)備或儀器儀表，以減小運動的傳遞[1]。圖1.1新型電磁阻尼器模型本課題就是研究設(shè)計得到的新型電磁阻尼器的性能，它主要功能就是盡可能的防止震源振動傳遞到支撐結(jié)構(gòu)，這其中，導體的材質(zhì)，線圈的大小，定子所形成的磁場強度等因素都能對隔振效果造成影響，所以研究這些因素并分析性能參數(shù)是十分重要的。4.國內(nèi)外基本研究概況該課題國內(nèi)外的研究狀況，可以從文獻庫的搜索結(jié)果得知大概。從“eddycurrentdamper”的檢索結(jié)果來看，近十年來發(fā)表文章數(shù)量增長顯著，說明它漸漸成為一個研究熱點。但是區(qū)域分布來看，國內(nèi)研究很少，成果都集中在少數(shù)幾個研究者。在國外，1987年，Wiederick[2]等人做了一個簡單的實驗，分析了一根細金屬條的磁制動效果和旋轉(zhuǎn)鋁盤在磁場中的減速行為。開始了對電磁阻尼器的研究。1998年，Hahn[3]等人研究了非磁性導管中磁鐵轉(zhuǎn)子的渦流阻尼，他們使用了不同材料、長度、厚度、半徑和放置方位的導管進行實驗。2000年，Graves[4]等人比較了在給定磁場和材料體積的情況下，基于動態(tài)變壓器電磁設(shè)計的各種電磁阻尼器[2]。2005年至2006年，Sodano[5]等人提出了一個新的電磁阻尼裝置來抑制梁的振動，在這個裝置中，永磁鐵是固定的，從而保證它垂直于梁的運動同時導電板連著梁的一端，它產(chǎn)生的阻尼力更大。2007年，他們設(shè)計了電磁鐵對應導體產(chǎn)生電渦流，利用速度反饋形成控制環(huán)路，建立電磁理論建模，實驗對比驗證傳遞率，證明了它的可行性。2008年，Ebrahimi[6]等人基于渦流的電流衰減現(xiàn)象開發(fā)了一種新型電磁彈簧阻尼器。同年，中國研究學者劉等人[7]，采用電磁鐵+附加電路+永磁體的結(jié)構(gòu)，根據(jù)電磁理論和實驗進行了研究，發(fā)現(xiàn)阻尼系數(shù)隨著磁鐵之間的間距增大而增大。2009年，Ebrahimi[8]等人針對圓環(huán)形導體+鐵芯分開圓柱永磁體結(jié)構(gòu)的永磁鐵進行了實驗，并進行了熱交換分析。2011年，ZuoLei[9]等人將以前阻尼器單一磁場變?yōu)檎唇惶娴拇艌?，并進行了電磁分析、有限元分析和實驗，這種阻尼器結(jié)構(gòu)緊密，阻尼力大。二．預計達到的目標、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標、完成課題的方案及主要措施1.預計達到的目標以新型阻尼器為對象，利用電磁分析軟件Ansoft分析其磁場強度。根據(jù)分析結(jié)果計算新型電磁阻尼器的電磁力。分析新型電磁阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時，電磁力大小的變化。對新型阻尼器應用于實際減振系統(tǒng)做研究，根據(jù)實際對象改變阻尼力的大小，實現(xiàn)對被控對象的振動抑制。2.關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標2.1電磁理論電磁感應：放在變化磁通中的導體會產(chǎn)生感應電動勢，如果形成閉合回路，感應電動勢會驅(qū)使電子運動進而產(chǎn)生感應電流。(2.1)(2.2)安培力：放置于磁場中的導體如果有電流，就會受到磁場的作用，稱之為安培力，它是所有電荷所受洛侖茲力的合力。(2.3)對于新型電磁阻尼器，就是運用了電磁感應[10]的原理。物體受到外力作用會有運動，產(chǎn)生速度v，根據(jù)洛侖茲力計算方法可得：F=qvb(2.4)定義一個電場強度：(2.5)并對整個線圈體積進行積分，可以得到：(2.6)圖2.1電流在空間一點P產(chǎn)生的磁場如圖2.1所示，線圈小段在空間任一點產(chǎn)生的磁場強度為：(2.7),表示單位長度的磁導率和磁化強度。從而整個線圈受到的電磁力為：(2.8)式中，V是線圈體積。2.2振動理論和隔振技術(shù)如圖2.2所示的單自由度振動系統(tǒng)，物體質(zhì)量為m彈簧的剛度為k，阻尼器的阻尼系數(shù)為c,F為作用在m上的激勵力，x為F作用下的位移。根據(jù)達朗貝爾原理，其運動微分方程為：(2.9)初始條件記作：圖2.2單自由度振動系統(tǒng)根據(jù)常微分方程理論，F(xiàn)（t）=0，令x（t）=A，得系統(tǒng)特征方程：(2.10)記；，則特征方程：(2.11)無阻尼情況下，系統(tǒng)特征根為：，系統(tǒng)通解為：(2.12)它表示的是一種等幅振動。在有阻尼的情況下，系統(tǒng)通解為:(2.13)圖2.3有阻尼情況下輸出響應它是一種減幅震蕩，如上圖2.3所示，新型電磁阻尼器也就是利用這個原理來抑制振動，依靠阻尼效應使得擾動快速衰減。新型電磁阻尼器就是依靠電磁阻尼效應來快速地抑制振源振動的傳播，在前人們研究過程中主要的性能參數(shù)就是位移傳遞率大小。對于振動模型，由于測量振動時輸入輸出振幅大小有一點難度，而幅值大小和振動能量大小成正比，故不需要比較位移傳遞率，只需要比較輸入力以及輸出力大小就可以有效地得出不同情況下的隔振效果：(2.14)Fo表示測力計測出的作用力大小，它和電磁力是相互作用力，F(xiàn)i是電機輸入力大小。從有阻尼情況下的響應圖可以看出，振動的抑制效果很顯著，但達到穩(wěn)定狀態(tài)，還是有一定時間，稱之為穩(wěn)定時間，所以穩(wěn)定時間也是另一個判定阻尼器性能的指標。3.3AnsoftMaxwell軟件仿真AnsoftMaxwell作為世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一，在各個工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼猓奖憧旖輀11]。使用該軟件，主要是仿真出新型電磁阻尼器的磁場強度。該軟件的電磁場求解器有很多種：靜磁場求解器，渦流場求解器，軸向磁場渦流求解器，參數(shù)分析器等。其中參數(shù)分析器功能強大，可以通過改變設(shè)計量（如位置、形狀、材料屬性、邊界等），自動計算出數(shù)千種物理問題，使用該軟件就是要用這個功能來分析不同慘況下的磁場結(jié)構(gòu)以及受力情況，并且應用仿真數(shù)據(jù)來分析新型電磁阻尼器模型的性能。完成課題的方案和主要措施1.學習并練習使用Ansoft軟件，了解其各項功能，然后進行簡單的磁場仿真練習。最后根據(jù)所設(shè)計好的新型電磁阻尼器，以及電磁理論建立一個性能分析模型，分析其磁場強度，以及各種參數(shù)變化對磁場的影響，最好是通過計算得出分析模型的方程，方便后面計算。2.通過使用軟件，可以得出阻尼器工作時的磁場強度，并假設(shè)這是一個勻強磁場，然后根據(jù)電磁理論的各種公式進行計算，最后可以算出某種情況下阻尼器的電磁力大小。3.通過改變電磁阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（位置、形狀、材料等），來測量電磁力的變化。并對實驗數(shù)據(jù)進行處理，之前是有得到仿真數(shù)據(jù)的，通過比較這兩組數(shù)據(jù)，驗證性能分析模型的準確性并給予一定程度上的修正，使得二者在誤差范圍內(nèi)吻合。4.對新型阻尼器進行實際減振效果進行研究，輸入不同大小的力來引起不同強度振動，分析其輸出響應，計算出力傳遞率以及穩(wěn)定時間，判斷二者是否符合工程要求。5，如果條件允許，還可以根據(jù)得到的結(jié)論，修正設(shè)計好的新型電磁阻尼器參數(shù)，讓阻尼器的隔振效果更佳。三．課題研究進展計劃起止日期論文工作進度上學期18-19周接受任務(wù)，收集資料，了解課題大概20-21周翻譯參考文獻，對課題有初步掌握下學期4-5周完成開題報告，確定論文寫作進程6-7周總體方案設(shè)計8-10周進行具體設(shè)計11-14周根據(jù)設(shè)計成果，撰寫說明書15-16周準備并進行答辯四．主要參考文獻[1]朱石堅,樓京俊,何其偉.振動理論與隔振技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006:147-148.[2]WiederickHD,GautheirN,CampbellDAetal.magneticbraking:simpletheoryandexperiment[J].AmericanJournalofPhysics,1987,volume55(6):500-503.[3]Hahn,ErikMJohnson,AllenBrokkenetal.Eddycurrentdampingofamagnetmovingthroughapipe[J].AmericanJournalofPhysics,1998,volume66(12):1066.[4]GravesKE,ToncichDandIovenittiPG.TheoreticalcomparisonofmotionalandtransformerEMFdevicedampingefficiency[J].JournalofSoundandVibration,2000,volume233(3):441-453.[5]SodanoH,BaeJS,InmanDJ.ImprovedconceptandmodelofeddycurrentdamperTrans[J].ASME,2006,volume128:294-302.[6]EbrahimiB,KhameseeMBandGolnaraghiMF.Designandmodelingofamagneticshockabsorberbasedoneddycurrentdampingeffect[J].JournalofSoundandVibration,2008,volume315(4):875-889.[7]HongpanNiu,XinongZhang,ShilinXieetal.Anewelectromagneticshuntdampingtreatmentandvibrationcontrolofbeamstructures[J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