华中科技大学机械学院开题报告模板

1.课题来源

本课题来源于国家973重点基础研究计划项目“IC制造装备基础问题研究”之课题5“大惯量多体系统的多场多尺度建模与纳米精度运动生成”（编号2009CB724205）。

2.研究目的

以新型电磁阻尼器为对象，对设计好的模型进行性能研究。利用Ansoft软件，建立性能分析模型，通过改变该阻尼器的结构参数得到不同的仿真和实验数据，对比二者并修正模型。并对比不同情况下的隔振效果，区分阻尼器的好坏，并选出最佳参数组合。

3.研究意义

在工程技术中，设备或结构的振动是一种广泛存在的现象。多数情况下振动是有害的，它使机械或结构产生疲劳和破坏，或引起联接部件间的微振磨损、缩短零部件的使用寿命；振动会破坏精密仪器、仪表的正常工作条件，降低其性能甚至使之失灵。此外振动及其产生的噪声还会严重污染工作环境，危害人类健康。因此如何避免有害振动一直是人们关注对象，这促使减震隔振技术得到较快的发展。抑制振动的方法主要包括抑制振源、隔振、减震及振动的主动控制。 隔振就是在振源和振动体之间设置隔振系统或隔振装置，以减小或隔离振动的传递。隔振分为主动隔振和被动隔振。主动隔振是隔离机械设备通过支座传至地基的振动，以减小动力的传递；被动隔振是防止地基的振动通过支座传至需要保护的精密设备或仪器仪表，以减小运动的传递[1]。

图1.1 新型电磁阻尼器模型

本课题就是研究设计得到的新型电磁阻尼器的性能，它主要功能就是尽可能

的防止震源振动传递到支撑结构，这其中，导体的材质，线圈的大小，定子所形成的磁场强度等因素都能对隔振效果造成影响，所以研究这些因素并分析性能参数是十分重要的。

4.国内外基本研究概况

该课题国内外的研究状况，可以从文献库的搜索结果得知大概。从“eddy

current damper”的检索结果来看，近十年来发表文章数量增长显著，说明它渐渐成为一个研究热点。但是区域分布来看，国内研究很少，成果都集中在少数几个研究者。

在国外，1987年，Wiederick[2]等人做了一个简单的实验，分析了一根细金属条的磁制动效果和旋转铝盘在磁场中的减速行为。开始了对电磁阻尼器的研究。1998年，Hahn[3]等人研究了非磁性导管中磁铁转子的涡流阻尼，他们使用了不同材料、长度、厚度、半径和放置方位的导管进行实验。2000年，Graves[4]等人比较了在给定磁场和材料体积的情况下，基于动态变压器电磁设计的各种电磁阻尼器[2]。2005年至2006年，Sodano[5]等人提出了一个新的电磁阻尼装置来

抑制梁的振动，在这个装置中，永磁铁是固定的，从而保证它垂直于梁的运动同时导电板连着梁的一端，它产生的阻尼力更大。2007年，他们设计了电磁铁对应导体产生电涡流，利用速度反馈形成控制环路，建立电磁理论建模，实验对比验证传递率，证明了它的可行性。2008年，Ebrahimi[6]等人基于涡流的电流衰减现象开发了一种新型电磁弹簧阻尼器。同年，中国研究学者刘等人[7]，采用电磁铁+附加电路+永磁体的结构，根据电磁理论和实验进行了研究，发现阻尼系数随着磁铁之间的间距增大而增大。2009年，Ebrahimi[8]等人针对圆环形导体+铁芯分开圆柱永磁体结构的永磁铁进行了实验，并进行了热交换分析。2011年，Zuo Lei[9]等人将以前阻尼器单一磁场变为正反交替的磁场，并进行了电磁分析、有限元分析和实验，这种阻尼器结构紧密，阻尼力大。

二．预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案及主要措施

1.预计达到的目标

以新型阻尼器为对象，利用电磁分析软件Ansoft分析其磁场强度。 根据分析结果计算新型电磁阻尼器的电磁力。

分析新型电磁阻尼器结构参数变化时，电磁力大小的变化。

对新型阻尼器应用于实际减振系统做研究，根据实际对象改变阻尼力的大小，实现对被控对象的振动抑制。

2.关键理论和技术、技术指标 2.1 电磁理论

电磁感应：放在变化磁通中的导体会产生感应电动势，如果形成闭合回路，感应电动势会驱使电子运动进而产生感应电流。

ent

ier

(2.2)

(2.1)

安培力：放置于磁场中的导体如果有电流，就会受到磁场的作用，称之为

安培力，它是所有电荷所受洛仑兹力的合力。

fBil

对于新型电磁阻尼器，就是运用了电磁感应

[10]

(2.3)

的原理。

物体受到外力作用会有运动，产生速度v，根据洛仑兹力计算方法可得：

F=q v b

定义一个电场强度：

J(vB)

并对整个线圈体积进行积分，可以得到：

FVVJBdv

图2.1 电流在空间一点P产生的磁场

如图2.1所示，线圈小段在空间任一点产生的磁场强度为：dB0M02dIR140R3d1

0 ,M0表示单位长度的磁导率和磁化强度。

从而整个线圈受到的电磁力为：

FVJBdVV(vB)BdV

式中，V是线圈体积。

2.2 振动理论和隔振技术

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

如图2.2所示的单自由度振动系统，物体质量为m 弹簧的刚度为k，阻尼器的阻尼系数为c,F为作用在m上的激励力，x为F作用下的位移。

根据达朗贝尔原理，其运动微分方程为：

mx(t)cx(t)kx(t)F(t)

初始条件记作： xx(t)t0,vx(t)....(2.9)

t0

图2.2 单自由度振动系统

根据常微分方程理论，F（t）=0，令x（t）=Ae，得系统特征方程：

ms2csk0

记 n(2.10)

stkm；c2mnc2mk2，则特征方程：

(2.11)

s22nsn0

无阻尼情况下，系统特征根为：

s1,2in，系统通解为：

x(t)A1eintA2eintXcos(nt)

它表示的是一种等幅振动。 在有阻尼的情况下，系统通解为:

(2.12)

x(t)Xentcos(dt)

(2.13)

图2.3 有阻尼情况下输出响应

它是一种减幅震荡，如上图2.3所示，新型电磁阻尼器也就是利用这个原理来抑制振动，依靠阻尼效应使得扰动快速衰减。

新型电磁阻尼器就是依靠电磁阻尼效应来快速地抑制振源振动的传播，在前人们研究过程中主要的性能参数就是位移传递率大小。对于振动模型，由于测量振动时输入输出振幅大小有一点难度，而幅值大小和振动能量大小成正比，故不需要比较位移传递率，只需要比较输入力以及输出力大小就可以有效地得出不同情况下的隔振效果：

FoFi

(2.14)

Fo表示测力计测出的作用力大小，它和电磁力是相互作用力，Fi是电机输入力大小。从有阻尼情况下的响应图可以看出，振动的抑制效果很显著，但达到稳定状态，还是有一定时间，称之为稳定时间，所以稳定时间也是另一个判定阻尼器性能的指标。

3.3 Ansoft Maxwell软件仿真

Ansoft Maxwell 作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解，方便快捷[11]。

使用该软件，主要是仿真出新型电磁阻尼器的磁场强度。该软件的电磁场求解器有很多种：静磁场求解器，涡流场求解器，轴向磁场涡流求解器，参数分析器等。其中参数分析器功能强大，可以通过改变设计量（如位置、形状、材料属性、边界等），自动计算出数千种物理问题，使用该软件就是要用这个功能来分析不同惨况下的磁场结构以及受力情况，并且应用仿真数据来分析新型电磁阻尼器模型的性能。

3.完成课题的方案和主要措施

1.学习并练习使用Ansoft 软件，了解其各项功能，然后进行简单的磁场仿真练习。最后根据所设计好的新型电磁阻尼器，以及电磁理论建立一个性能分析模型，分析其磁场强度，以及各种参数变化对磁场的影响，最好是通过计算得出分析模型的方程，方便后面计算。

2.通过使用软件，可以得出阻尼器工作时的磁场强度，并假设这是一个匀强磁场，然后根据电磁理论的各种公式进行计算，最后可以算出某种情况下阻尼器的电磁力大小。

3.通过改变电磁阻尼器的结构参数（位置、形状、材料等），来测量电磁力的变化。并对实验数据进行处理，之前是有得到仿真数据的，通过比较这两组数据，验证性能分析模型的准确性并给予一定程度上的修正，使得二者在误差范围内吻合。

4.对新型阻尼器进行实际减振效果进行研究，输入不同大小的力来引起不同强度振动，分析其输出响应，计算出力传递率以及稳定时间，判断二者是否符合工程要求。

5，如果条件允许，还可以根据得到的结论，修正设计好的新型电磁阻尼器参数，让阻尼器的隔振效果更佳。

三．课题研究进展计划

起止日期 上 18-19周 学 20-21周 期 4-5周 下 6-7周 学 8-10周 期 11-14周 15-16周

论文工作进度 接受任务，收集资料，了解课题大概 翻译参考文献，对课题有初步掌握 完成开题报告，确定论文写作进程 总体方案设计 进行具体设计 根据设计成果，撰写说明书 准备并进行答辩 四．主要参考文献

[1]朱石坚,楼京俊,何其伟.振动理论与隔振技术[M].北京:国防工业出版社,2006:147-148.

[2]Wiederick H D, Gautheir N, Campbell D A et al.magnetic braking: simple theory and experiment[J].American Journal of Physics, 1987,volume 55(6):500-503. [3]Hahn,Erik M Johnson,Allen Brokken et al.Eddy current damping of a magnet moving through a pipe[J].American Journal of Physics,1998,volume66(12):1066. [4]Graves K E, Toncich D and Iovenitti P G.Theoretical comparison of motional and transformer EMF device damping efficiency[J].Journal of Sound and Vibration,2000,volume233(3):441-453.

[5]Sodano H, Bae J S, Inman D J.Improved concept and model of eddy current damper Trans[J].ASME,2006,volume 128:294-302.

[6]Ebrahimi B, Khamesee M B and Golnaraghi M F.Design and modeling of a magnetic shock absorber based on eddy current damping effect[J].Journal of Sound and Vibration,2008,volume 315(4):875-889.

[7]Hongpan Niu, Xinong Zhang, Shilin Xie et al.A new electromagnetic shunt damping treatment and vibration control of beam structures[J].Smart Materials and Structures,volume 18(4) .

[8]Ebrahimi B, Khamesee M B and Golnaraghi F.Eddy current damper feasibility in automobile suspension: modeling,simulation and testing[J].Smart Materials and Structures,volume 18(1) .

[9]Zuo Lei， Chen， Nayfeh.Design and Analysis of a New Type of Electromagnetic Damper With Increased Energy Density[J].Journal of Vibration and Acoustics ,2011,volume 133(4).

[10]雷银照.电磁场[M].北京:高等教育出版社,2006:174-193.

[11]赵博.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社.2010:2-59.