磁流变弹性体挤压工作模式减振结构的概念设计及有限元分析【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化磁流变弹性体挤压工作模式减振结构的概念设计及有限元分析摘要磁流变弹性材料是一种新型的智能材料。随着材料科学的进步以及人类生活需求的不断提高。作为一种新型的智能材料，越来越多的引起学术界的关注。磁流变材料主要有液体（即磁流变液及固体（即磁流变弹性体两种。本文主要研究的是磁流变弹性体的研究现状以及它在工程中的应用情况，主要阐述了设计在挤压工作模式下的减振结构，并进行分析。关键词磁流变弹性体；力学性能；减振；阻尼；挤压模式1研究背景及意义磁流变材料是一类智能材料的总称。在磁流变家族中，人们关注最多的主要是它的液态磁流变液和固态磁流变弹性体两种。磁流变液MRF是由

2、低磁导率的母液硅油、高磁导率的软磁性微粒如铁粉和一些起稳定作用的添加剂组成。当不加磁场时，这类流体与普通的牛顿流体性质相似，而一旦加磁场，流体性质会发生急剧变化，呈现出类固体的特征，具有剪切屈服强度，而且表观粘度会增加若干个数量级，去除磁场后材料又会回复到原来的状态，这种变化可以瞬间完成。然而磁流变液易沉降，稳定性差，颗粒易磨损等缺点一直是磁流变液工作者的最大的挑战。针对磁流变液易沉降等难题，人们开发了新型磁控智能材料磁流变弹性体MRE。它是将微米级软磁性颗粒如羰基铁粉分散在橡胶或硅油中形成特定结构后固化制备而成的。由于颗粒固定在基体中，因而不存在颗粒沉降问题，因而与普通磁流变液相比磁流变弹性

3、体不但具有可控性、可逆性以及响应迅速等高技术特征，还具有稳定性好结构设计简单制备成本低等独特的优点。由于磁流变弹性体兼有磁流变液与弹性体两方面的诸多优点，它的力学、电学、磁学诸性能可以由外加磁场来控制，因此作为一种新型的智能材料，磁流变弹性体具有广泛的工程应用前景。2磁流变弹性体的国外研究现状磁流变弹性体最早出现在1995年，TSHIGA等人1尝试使用硅树脂和铁粉混合制备出具有磁控性能的材料，该材料当时被称为具有磁致粘弹性的凝胶。随后美国LORD公司的研究人员JOLLYCARLSON等人对磁流变弹性体的力学性能进行了初步测试和分析,JOLLY使用硅橡胶作为基体制备出的磁流变弹性体外加磁场在08

4、T时磁流变弹性体的剪切模量比无磁场时初始值增加约402。FORD公司研究组成员GINDER、DAVIS等人对基体为天然橡胶的磁流变弹性体进行了建模并对其粘弹性行为进行了研究34,DAVIS理论计算发现颗粒的最佳体积比为27，此时磁饱和后其剪切模量的相对改变量为50。其中GINDER等人基于磁流变弹性体设计出了可控刚度的汽车轴衬BUSHING以及可调节的吸振器TUNEDVIBRATIONABSORBER并申请了专利4。其它的研究包括法国的BOSSIS对电磁流变弹性体的电学、磁学、光学等物理性质进行了初步的观测5，波兰的BEDNAREK也对磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了较系统分析6,白俄罗斯的D

5、EMCHUK等人分别以明胶普通硅橡胶以及一种热敏性硅橡胶作为基体材料制备出磁流变弹性体7。瑞典的LOKANDER等人在制备时,基体分别使用丁苯橡胶丁腈橡胶与丙烯腈的不同组合以及天然橡胶，同时发现即使固化时不加磁场选用形状不规则较大的纯铁颗粒的磁流变弹性体的效应也很明显,在外加磁场为08T时剪切模量的相对增加量可达2089。RICE大学的BORCEA等人应用最小能量原理分析了磁场对各向同性的磁流变弹性体的拉伸压缩性能的影响10。日本的TETSUMITSUMATA使用乙烯基聚乙烯醇戊二醛等一系列化学物质和工艺制备钡铁氧合物作为磁凝胶并用超声波激励的波速来测试其模量11。而美国的MALCOLMJWI

6、LSON等人用6微米羰基铁粉颗粒聚亚安酯添加一种烷烃和硅橡胶添加硅油作为基体，给出了不同配比下材料的液体胶体固体转换曲线等基体配用准则12。3磁流变弹性体的国内研究现状国内对磁流变弹性体进行了比较深入研究的是中国科技大学。近年来中国科技大学的力学和机械工程系智能材料和振动控制实验室在磁流变弹性体方面展开了大量的研究，在材料的研制，力学性能表征和应用器件等方面取得的主要进展包括以下方面建立了用粘塑性体状态和流体状态研制磁流变弹性体的系统，分别用硅橡胶和天然橡胶为基体制备出已达国际领先水平的磁流变弹性体13；建立了一套评估磁流变弹性体力学和机械性能的测试系统。在测量磁流变弹性体的零场和磁质准静态模

7、量方面14，建立并初步完善了具备力磁耦合功能的电子拉力机，可以测试磁流变弹性体在不同磁场强度和应变率情况下的准静态模量。对于磁流变弹性体在零场和不同磁场强度下的动态复模量的测量，使用了经过改造的，可以实现力磁耦合的动态测试系统，能够全面测试磁流变弹性体的磁致动态粘弹性性能，如不同频率加载下的磁致储能模量和损耗因子等15。4挤压式磁流变阻尼器原理挤压式磁流变阻尼器的原理如图1所示，磁力线垂直穿过上下极板及两极板之间的磁流变液，上或下极板的位移S方向与磁力线方向平行，而此时极板输出力的方向也为磁力线方向。所设计的小位移、大阻尼力的挤压式阻尼器如图2所示。因为外套筒、上下腔体以及推力盘选用电工纯铁，

8、其余采用非导磁材料，故磁流变液处的磁场强度可用公式NJH磁藏变液表示。主要相关参数盘与上下腔体的单边间隙为3MM，推力盘直径为56MM，线圈匝数为450匝，轴与腔体的间隙为2MM，磁流变液选取重庆仪表材料研究所的MRF一01K。所设计的小位移、大阻尼力的挤压式阻尼器的工作原理是当通过导线对线圈加以一定的电流时，缸体内产生磁场，此时，推力盘进行往复运动，上下腔体之间的磁流变液处于交替拉伸、压缩状态，并发生剪切，其运动方向恰好和磁力线方向平行，在磁场的作用下，磁流变液将变为高黏度的流体，从而达到减振效果，如改变电流的大小，则可实现对阻尼大小的控制。5挤压减震机构的设计佛山大学汪建晓等人研制了一种自

9、定心挤压式磁流变弹性体阻尼器，测试了支承在该阻尼器上的柔性转子系统的不平衡响应特性。实验结果表明，随着磁场强度增加，磁流变弹性体阻尼器的阻尼和刚度明显增大；转子系统的一阶临界转速明显提高，二阶临界振动可被抑制。采用开关控制能抑制转子通过两阶临界转速过程中的振动。挤压式磁流变弹性体阻尼器能用于转子振动主动控制，并具有结构简单、性能稳定、控振效果明显等特点，挤压式磁流变弹性体的结构如图3所示16。图3挤压式磁流变弹性体阻尼器结构6总结综上所述,磁流变弹性体在磁场作用下能显著改变其弹性模量,其应用装置具有无需密封、性能稳定、响应迅速等特点,在需要进行刚度控制的小振幅小应变振动系统中极具应用前景。然而

10、磁流变弹性体的磁流变效应弹性模量的变化幅度还有待提高,有些性能的研究还未见涉及,如温度稳定性、老化特性等。用磁流变弹性体可制成各种减振支座、悬架、冲击吸振器、隔振器等装置,其潜在的应用的领域包括飞机起落架减振系统、直升机旋翼部件、武器反后坐系统、精密电子设备的振动隔离、旋转机械和发电设备的支座、制造自动化系统的运动控制等。参考文献1SHIGA,T,OKADA,A,KURAUCHI,TMAGNETROVISCOELASTICBEHAVIOROFCOMPOSITEGELSJOURNALOFAPPLIEDPOLYMERSCIENCE,1995,587877922JOLLY,MR,CARLSON,JD

11、,MUNOZ,BC,ETALTHEMAGNETOVISCOELASTICRESPONSEOFELASTOMERCOMPOSITESCONSISTINGOFFERROUSPARTICLESEMBEDDEDINAPOLYMEMATRIXJOURNALOFINTELLIGENTMATERIALSYSTEMSANDSTRUCTURES,1996,76136223JMGINDER,MENICHOLS,ETALMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSPROPERTIESANDAPPLICATIONSPROCEEDINGSOFSPIE1999,3675PP1311384LCDAVISMODE

12、LOFMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,856,1999PP334833515BOSSIS,GABBO,CELECTROACTIVEANDELECTROSTRUCTUREDELASTOMERSINTERNATIONALJOURNALOFMODERNPHYSICSB,2001,15675645736BEDNAREK,STHEGIANTMAGNETOSTRICTIONINFERROMAGNETICCOMPOSITESWITHINANELASTOMERAPPLIEDPHYSICSA,1999,6863677SADEMCHUK,VA

13、KUZMINVISCOELASTICPROPERTIESOFMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSINTHEREGIMEOFDYNAMICDEFORMATIONJOURNALOFENGINEERINGPHYSICSANDTHERMOPHYSICS,752,2002PP3964008LOKANDER,M,STENBERG,BPERFORMANCEOFISOTROPICMAGNETORHEOLOGICALRUBBERMATERIALSPOLYMERTESTING,2003,222452519MLOKANDER,BSTENBERGIMPROVINGTHEMAGNETORHEOLOG

14、ICALEFFECTINISOTROPICMAGNETORHEOLIGCALRUBBERMATERIALSPOLYMERTESTING22,2003PP67768010LILIANABORCEA,OSCARBRUNOONTHEMGNETOELASTICPOPERTIESOFELASTOMERFERROMAGNETCOMPOSITESJOURNALOFTHEMECHANICSANDPHYSICSOFSOLIDS,49,2001PP2877291911TETSUMITSUMATA,KENTAFURUKAWA,ETIENNEJULIAC,KENJIIWAKURA,ANDKIYOHITOKOYAMA,

15、COMPRESSIVEMODULUSOFFERRITECONTAINNINGPOLYMERGELS,INTERNATIONALJOURNALOFMODERNPHYSICSB,VOL16,NOS171820022419242512MALCOLMJWILSON,ALANFUCHS,FARAMARZGORDANNEJADDEVELOPMENTANDCHARACTERIZATIONOFMAGNETORHEOLOGICALPOLYMERGELS,JOURNALOFAPPLIEDPOLYMERSCIENCE,VOL84,27332742200213李剑锋,龚兴龙,张培强等,硅橡胶基磁流变弹性体的研制J功能

16、材料,2006,6371005101214方生,龚兴龙,张培强等,磁流变弹性体力学性能的测试与分析J中国科学技术大学学报,2004,34445646315王桦,周刚毅,张培强等,磁流变弹性体剪切性能的动态实验研究J实验力学,2004,1911516龚兴龙,李剑锋,张先舟等,磁流变弹性体力学性能测量系统的建立J功能材料,2006,53773373517邓华夏,龚兴龙,张培强等,磁流变弹性体调频吸振器的研制J功能材料,2006,53779079218王莲花，龚兴龙，邓华夏，倪正超，孔庆合磁流变弹性体自调谐振式吸振器及其优化控制J实验力学,2007年8月,第22卷34期42943419王世旺，汪建晓剪切式磁流变弹性体阻尼器力学性能研究J佛山科学技术学院学报自然科学版,2007年9月,第25卷第5期172020汪建晓，王世旺，孟光挤压式磁流变弹性体阻尼器转子系统的振动特性试验J航空学报,2008年1月,第29卷第1期919421游世辉,冯云华,丁志华等“磁流变弹性体橡胶空气弹簧”2007,中国,专利号,200620103324