磁流變彈性體的力學性能及其在振動控制中的應用.pdf

1、磁流變彈性體(MRE)是一種主要由微米級的鐵磁性顆粒和橡膠類基體構成的智能復合材料，其性能（模量、阻尼、變形、電阻抗等）可以由外加磁場快速、連續(xù)和可逆地控制，因此MRE在工程實踐中具有廣泛的應用前景。目前對MRE力學性能的研究主要集中在其剪切力學性能上，對法向力學性能的研究較少。此外，MRE在剪切狀態(tài)下的承載能力較差，而在壓縮狀態(tài)下能承受較大的載荷。因此，MRE在壓縮狀態(tài)具有更好的工程應用價值。針對MRE可能的工程應用，本文首先對MRE

2、的法向力和高應變率下的壓縮性能進行了研究。在此基礎上，結合前人的研究成果，針對MRE在振動控制應用中存在的問題，對MRE在吸振和隔振方面的應用展開了討論，解決了MRE在振動控制應用中面臨的器械設計和控制算法問題，初步實現(xiàn)了MRE的工程應用。本文的主要內容如下:
　　1.采用安東帕MCR301流變儀研究了MRE在壓縮狀態(tài)、準靜態(tài)剪切狀態(tài)和動態(tài)剪切狀態(tài)下的法向力，得到了MRE的法向力與外加磁場、剪切應變、溫度和顆粒分布等的關系。在壓縮

3、狀態(tài)下，MRE的法向力隨著外加磁場的增大而增大，當鐵顆粒達到磁飽和時，法向力也表現(xiàn)出飽和的趨勢。此外，預壓力、顆粒分布、外界環(huán)境溫度和磁場的循環(huán)加載對MRE的法向力行為均有影響。在準靜態(tài)剪切下，MRE的法向力與剪切應變密切相關。低磁場時，法向力隨著剪切應變的增大而減小;高磁場時，法向力隨著剪切應變的增大而增大。法向力的這種變化趨勢與預壓縮方向的彈性模量和顆粒鏈在外加磁場下受到的力矩相關。這兩個因素的共同作用導致了MRE在準靜態(tài)剪切下的法

4、向力行為。在振蕩剪切下，MRE的法向力與振蕩剪切的幅值密切相關。當應變幅值低于7％時，法向力隨剪切應變的變化趨勢與準靜態(tài)時類似。但是，當剪切應變幅值大于7％時，法向力隨著剪切應變的增加急劇地減小，這與MRE內部鐵顆粒鏈的斷裂密切相關。該部分的研究工作為MRE在作動器和減振器等工程器械方面的應用奠定了基礎。
　　2.采用改進的SHPB測試系統(tǒng)研究了MRE在高應變率條件下的動態(tài)壓縮力學性能，得到了MRE的動態(tài)壓縮力學性能與外加磁場和應

5、變率的關系，并提出了相應的本構方程。在屈服前的階段，MRE的動態(tài)壓縮力學性能具有明顯的磁場相關性和應變率相關性。隨著外加磁場的增加，楊氏模量增加，屈服應力增加，而屈服應變減小。隨著應變率的增加，楊氏模量增加，屈服應力增加，而屈服應變減小。為了描述MRE在屈服前的動態(tài)壓縮力學性能，提出了一個由超彈性、粘彈性和磁致應力組成的本構模型。實驗和理論的對比表明，所提出的本構模型可以很好地描述MRE在高應變率下的動態(tài)壓縮力學性能。在屈服后的階段，當

6、應變大于屈服應變時，MRE的應力表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。隨著應變的進一步增加，應力達到最小值。當應變大于0.2時，應力表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。MRE屈服后的過程可以看作是其內部鐵顆粒鏈逐漸被破壞和MRE逐漸被壓實的過程。該部分的研究工作為MRE在抗沖擊方面的應用提供了實驗基礎。
　　3.在傳統(tǒng)MRE吸振器的基礎上，通過增加主動力控制，設計了移頻范圍寬且阻尼小的MRE主動自調諧式吸振器。主動自調諧式吸振器采用音圈電機作為阻尼補償元件，通

7、過主動力控制使得所設計的吸振器在保留傳統(tǒng)MRE吸振器固有頻率快速可調特點的同時又克服了傳統(tǒng)MRE吸振器阻尼大、減振性能差的缺點。該部分研究對于解決工程實踐中振動控制相關的問題具有一定的意義。
　　4.為了提高半主動吸振器剛度控制的精度和速度，設計了一種基于相位差的MRE吸振器剛度控制算法。該算法不依賴于吸振器控制量與固有頻率的精確模型，具有調整時間快、穩(wěn)定性好和易實現(xiàn)等優(yōu)點。實驗和仿真的結果都驗證了算法的可行性和有效性。該部分研究

8、不僅可用于MRE吸振器的剛度控制，對所有的半主動吸振器均具有較好的控制效果，對于提高半主動吸振器剛度控制的速度和精度具有重要的意義。
　　5.采用MRE作為變剛度元件，音圈電機作為變阻尼元件設計了剛度和阻尼實時可控的MRE隔振器原理樣機及其控制算法。實驗結果表明在ON-OFF控制下，MRE隔振器具有較好的隔振效果，可以有效地減小負載的振動響應。尤其對負載在固有頻率附近的振動也具有較好的隔振效果。該部分研究對于解決工程實踐中振動控制