1、本科毕业论文（20届）磁流变弹性体挤压工作模式减振结构的概念设计及系统分析所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要磁流变弹性体是一种由铁磁颗粒和凝胶混合而成的新型可控智能材料。这种弹性材料的最大的优点是颗粒不会随时间而沉降，也不需要密封装置。磁流变弹性体在外加磁场条件下，其阻尼和刚度具有可变的特性，近年来广泛应用于减振设备的设计制造上。本论文结合磁流变弹性体的研究现状以及它在工程中的应用情况，基于磁流变弹性体挤压工作模式，提出了三种减振结构的概念设计方案，并利用MATLAB的SIMULINK对其中一种方案进行了建模，分析其理想化下的减振效果。基于SI
2、MULINK的模型，首先分析了在250MT场强条件下，分别取固有频率的15倍和3倍作为激振频率，测试圆盘式磁流变弹性体减振结构的减振效果，结果表明激振频率的控制和选择对系统的整体减振效果起到很重要的作用。其次分析了在500MT场强条件下，取固有频率的3倍作为激振频率测试其减振效果，与250MT场强条件的减振效果对比分析，结果表明控制磁流变减振器的电流来控制外加磁场的大小，继而控制磁流变弹性体的刚度和阻尼，使其达到一个合适的范围，对系统的减振效果也有着重要的作用。关键词磁流变弹性体；减振结构；挤压模式；减振分析。IIABSTRACTABSTRACTMAGNETORHEOLOGICALELASTO
3、MERISANEWCONTROLLABLESMARTMATERIALWHICHISAMIXTUREOFFERROMAGNETICPARTICLESANDGELTHISFLEXIBLEMATERIALOFTHEBIGGESTADVANTAGESISTHEPARTICLEWILLNOTSETTLEWITHTIME,ANDITDOESNOTNEEDTOSEALMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERUNDERANEXTERNALMAGNETICFIELDWITHVARIABLEDAMPINGANDSTIFFNESSCHARACTERISTICSINRECENTYEARS,ITISWID
4、ELYUSEDINTHEDESIGNANDMANUFACTUREOFVIBRATIONEQUIPMENTTHEAUTHORCOMBINESTHECURRENTRESEARCHOFMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSANDITSAPPLICATIONINENGINEERING,DESIGHSTHREEDAMPINGSTRUCTUREBASEDONCOMPRESSIONMODEINADDITON,THEAUTHORMODELONEOFDESIGHSBYSIMULINKOFMATLAB,ANDANALYSISITSDAMPINGEFFECTBASEDONSIMULINKMODEL
5、,WEFIRSTLYTOOKTHENATURALFREQUENCYOF15TIMESAND3TIMESASTHEEXCITATIONFREQUENCYFORTESTINGTHESTRUCTUREOFTHEVIBRATIONDAMPINGIN250MTFIELDCONDITIONSTHERESULTSHOWSTHATTHEEXCITATIONFREQUENCYCONTROLANDSELECTIONPLAYANIMPORTANTROLEINTHEOVERALLDAMPINGEFFECTONTHESYSTEMSECONDLY,WETOOKTHENATURALFREQUENCYOF3TIMESASTH
6、EEXCITATIONFREQUENCYFORTESTINGIN500MTFIELDCONDITIONSCOMPAREDWITHTHEEFFECTIN250MT,WEGETTHATCONTROLLINGTHESTIFFNESSANDDAMPINGOFTHEMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSBYCONTROLLINGCURRENTANDFIELDCONDITIONSISALSOVERYIMPORTANTTODAMPINGEFFECTKEYWORDSMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERDAMPINGSTRUCTURESQUEEZEMODEVIBRATIONA
7、NALYSISIII目录摘要目录1引言111磁流变液1111磁流变液的组成1112磁流变效应1113磁流变液的应用212磁流变弹性体2121磁流变弹性体的制备3122磁流变弹性体的组成4123磁流变弹性体的特点5124磁流变弹性体的研究现状513磁流变液与磁流变弹性体614其他磁流变材料615本论文主要工作62振动控制简介821机械振动8211机械振动定义8212振动的分类8213自由振动和受迫振动822振动控制9221振动控制概述9222振动隔离控制93磁流变弹性体减振器1131磁流变弹性体减振器概述1132磁流变弹性体减振器研究现状114磁流变弹性体挤压模式减振结构的概念设计15IV41圆
8、盘式磁流变弹性体减振器15411设计思路15412结构设计15413工作原理1642基于滑动轴承的磁流变减振结构16421设计思路16422结构设计17423工作原理1843基于轮胎联轴器的磁流变减振结构19431设计思路19432结构设计19433工作原理215磁流变减振器减振效果分析2251振动模型建立2252受迫振动分析2253SIMULINK仿真分析23531SIMULINK简介23532SIMULINK仿真分析2354减振分析小结296总结30参考文献31致谢33附录341引言11磁流变液磁流变液MAGNETORHEOLOGICALFLUID,简称MR流体是一种由低磁导率的母液和均匀
9、散布在其中的高磁导率微粒（如铁粉），组成的悬浮液。这种悬浮液在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的BINGHAN体特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。111磁流变液的组成磁流变液一般是由铁磁性颗粒、母液油和稳定剂三种物质混合组成。目前而言，可用作磁流变液的铁磁性固体颗粒一般是具有较高磁化饱和强度的羰基铁粉、纯铁粉或者铁合金。磁流变液的母液油即所说的分散剂，一般是性能良好且具有非导磁特性的油，如矿物油、合成油、硅油等，同时它们须具有较低
10、的零场粘度、较大范围的温度稳定性、不污染环境等特性。稳定剂的目的是用来防止或减缓磁性颗粒沉降的产生。因为磁性颗粒的比重较大，容易沉淀或离心分离，因此必须加入少量的稳定剂。将这三种物质在一定条件下按一定的比例混合均匀，即可形成磁流变液。112磁流变效应磁流变液的铁磁性颗粒在母液油中其实可以看成其表现出牛顿流体特性；当有外加磁场条件时其特性发生改变，变化为高粘度并且低流动性的特性。在实验研究中发现磁流变液在磁场作用下的流变反应是瞬间的和可逆的，并且其流变后的剪切屈服强度与外加磁场强度具有稳定的对应关系，因此被广泛应用，是一种性能优良的智能材料。按照磁畴理论可以解释磁流变效应，磁畴理论简单的说就是磁
11、性材料在正常情况下并不对外显示磁性，只有当磁性材料被磁化后，它才能对外显示出磁性。磁流变液中的铁磁性颗粒可以形象成每一个磁体。这种特殊的结构使得相互间的原子在无外加磁场条件下的磁矩平行排列，形成自发磁化饱和区域，也就是磁畴，通常不同的磁畴磁矩取向不同，结构中存在着强交换耦合作用导致磁畴中的相邻原子的磁矩排列取向一致。磁畴中的颗粒不显示出磁性取决于其特殊的结构，因为结构中每一个颗粒处于最小的能量下，在这种状态下导致颗粒不显示出磁性。但是当有外加磁场作用时磁能会发生改变，磁能会低于反方向排列时的状态，结果是同自发磁化磁矩成较大角度的磁畴的体积会变小，但这种是那些同自发磁化磁矩成较大角度的磁畴。在这
12、种条件下颗粒将对外显示磁性，利用磁流变效应产生有序的结构。磁场强度较弱，有序结构短且少，破坏他2们的外力也较小。随外加磁场不断增强，磁流变效应会增强，形成更多的有序链状并且更多更粗，因此磁流变材料对外所表现的剪切应力增强；继续使外加磁场增强最终到达磁化饱和状态，这时所需的外力也到达了最大。影响这种磁流变效应的因素有很多，但最主要的颗粒结构特征和相互间聚集状态，此外材料其本身的磁特性也跟其状态密切相关，且影响效果十分明显。此外，根据实验检验分析发现磁流变液的颗粒直径增大会使得其磁化饱和增强，这种特性与体积分数无关。113磁流变液的应用磁流变液的制备需要密度较大的磁性颗粒，这使得磁流变液的发展与应
13、用并不顺利，因为密度较大的铁磁性颗粒导致颗粒容易沉降在液体底部；另外装置的外加线圈也是个难题，由于材料制备水平的限制，磁流变液的研究曾在一段时间内处于停滞状态，从而阻碍了它在工程中的应用。从上世纪90年代开始，制备材料的技术有了很大的突破，制备工艺不断创新提高，人们采取加入稳定剂的办法，基本解决了颗粒的沉降问题。磁流变液的研究热潮重新活跃起来。磁流变液在外加磁场增强的过程中，液体的粘度随之增大并最终失去流动性变为固态，此过程耗能小、可逆、能产生较大屈服应力且在豪秒级内完成。利用此一系列性能，在充分考虑磁场、温度、颗粒大小和体积浓度等诸因素对应用器件和系统影响的基础上，可以设计开发各种磁流变减振
14、器件，主要应用于阻尼元件，控制元件和研磨及密封。目前，磁流变液已经开始应用于抛光工艺、密封、健身器材、机械抓持机构、车间依托架、自动化仪表、传感器等行业。在其众多应用领域当中，研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振器、刹车器、主动驱动器以及土模机构减振器。虽然磁流变液是当前磁流变材料研究领域的一个重要部分，在汽车工程、建筑设计、机械减振、医疗器械等领域具有很好的应用前景，但磁流变液的应用还不够广泛和深入，部分应用研究离工程应用还有一定的距离。12磁流变弹性体磁流变弹性体MAGNETORHEOLOGICALELASTOMERS是磁流变材料的一部分。它是由高分子聚合物如橡胶和铁磁性颗粒按一定比
15、例组成，利用磁流变效应在外加磁场作用下固化，使铁磁性颗粒沿磁场方向形成链状的有序结构。磁流变弹性体可以看作是磁流变液的固态类似物。图11为磁流变弹性体样品。3图11磁流变弹性体样品121磁流变弹性体的制备磁流变弹性体是一种新型的可控智能材料，但到目前为止世界上还没有制备优良磁流变弹性体工艺技术标准，并且用不同的材料不同的配比和不同的工艺制备的磁流变弹性体性能参差不齐。目前，对于磁流变弹性体的制备方法可以大致总结分为两种1预结构化制备磁流变弹性体目前各国研究者大多采用的就是这种制备方法，其内容主要就是以一定比例将基体和铁磁性颗粒混合均匀之后，在外加磁场的条件下使混合物的固化。通过这种方法会使混合
16、物中的铁磁性颗粒沿磁场方向下形成类似柱状或链状的有序结构，这样当混合物固化完成以后基体中就存在这种有序的结构，如图12所示。通过这种制成方法得到的磁流变弹性体是一种各向异性的磁流变材料。2非预结构化制备磁流变弹性体这种制备方法的最大特点是在固化过程中不外加磁场，因此与前者相比没有形成有序的结构，混合物固化之后铁磁性颗粒在是均匀分布在基体中的，如图13所示。通过这种方法制备的弹性体实际上是一种各向同性的材料。一般而言，此种弹性体的磁流变效应跟预购化制成的弹性体相比只有其二分之一。无论是有场或是无场制备的磁流变弹性体，在外加磁场条件下，基体颗粒之间的相互作用都会改变材料本身的一些性质，因此它们的性
17、能可以由外加磁场来控制。磁流变弹性体的磁流变效应不仅受固化中磁场的强度影响，而且制备方法和制备工艺对其磁流变效应也影响很大。上述两种方式是现在制备磁流变弹性体的主要方式。在目前的技术条件下制备出的磁流变弹性体的可控性有限，智能控制还有待提升，从而限制了其在工程上的应用。对磁流变弹性体的制备测试和应用的进一步深入研究，具有十分重要的科4学意义。图12有磁场条件下图13无磁场条件下122磁流变弹性体的组成磁流变弹性体主要由基体和分散其中的铁磁性颗粒组成。选择基体材料是，首要考虑其流变学特性，其次磁导率最好能尽可能低。如硅橡胶，聚乙烯醇合成橡胶等材料。磁性粒子选择的标准与磁流变液相似，要求颗粒具有高
18、磁导率。常用的磁性颗粒一般是尺寸在110UM的球状铁粉，尺寸较大的不规则铁粉也可以使用。5123磁流变弹性体的特点磁流变弹性体是由高分子聚合物如橡胶等和铁磁性颗粒组成，混合物以一定比例在外加磁场条件下固化，利用磁流变效应即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状聚集结构,使颗粒在基体中形成有序结构。由于磁流变弹性体固化后的有序结构根植在基体中，因此它的力学、电学、磁学诸性能可以由外加磁场来控制，磁流变弹性体的磁流变效应可控且可逆，响应速度非常快毫秒级。磁流变弹性体不仅具有磁流变材料和弹性体的特性，而且与磁流变液相比不需要密封装置，同时克服了磁流变液颗粒易沉降、不够稳定、易磨损等缺点。124磁流变弹性体
19、的研究现状日本的TSHIGA等人在1995年最早提出磁流变弹性体的概念1,并尝试研究了硅树脂和铁粉混合制备材料的磁致粘弹性问题。随后美国LORD公司的乔里等人研制了硅橡胶基磁流变弹性体,并对该弹性体的力学性能进行了研究，发现在施加磁场条件后弹性体的剪切模量与原来相比增加约402。FORD公司的金德等人对天然橡胶基磁流变弹性体进行了粘弹特性及应用研究,设计出基于磁流变弹性体的可控刚度汽车轴衬以及可调吸振器并申请了专利34。戴维斯通过计算机分析得出颗粒磁饱和的剪切模量相对变化量约为505时颗粒的最佳体积比为27。此外，法国的博西斯对电磁流变弹性体的电学、磁学特性进行了初步研究6。波兰的贝德娜雷克对
20、磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了深入探讨7。瑞典的隆科多等人通过实验发现了不同基体对磁流变弹性体特性的影响8。加拿大的YSHEN等分别研究了聚氨酯和天然橡胶基体的磁流变弹性体,实验发现其剪切模量在0375T时分别增加了28和89。莱斯大学的博尔科等人应用最小能量原理结合实验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。此外,澳大利亚、奥地利、俄罗斯、美国等研究人员也开展了磁流变弹性体的研究。相比较国外研究情况，国内在磁流变弹性体领域的研究起步较晚。近年来,中国科技大学、山东大学、重庆大学等单位相继开展了磁流变弹性体的研究。其中中国科技大学在磁流变弹性体方面展开了大量的研究，开展了
21、磁流变弹性体的材料选型和制备工艺的研究，并且在此基础之上进行了弹性体物理模拟、测试方法和应用方面的探究。通过粘塑性体状态和流体状态建立了研制磁流变弹性体的系统，并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11；利用磁流变弹性体作为智能刚度单元初步研制出一种频率可调式动力吸振器，该吸振器较传统的被动吸振器具有更宽的吸振带宽和更好的吸振性能，并获得了总装备部的支持，将应用于潜艇的隐身领域12。13磁流变液与磁流变弹性体磁流变弹性体可以看作是磁流变液的固态类似物，但是由于磁流变弹性体具有不同6的形态，它的工作原理和磁流变液是有区别的，如下所示1零磁场条件下，磁流变液中的铁磁性颗
22、粒的运动状态是自由的热运动，通过磁励线圈外加磁场，可以产生磁流变效应，使颗粒形成有序的结构。通过这种方式所达到的效果是，磁流变弹性体中的粒子性能发生了巨大的变化。磁流变液一般是工作在屈服后和流动阶段，可以通过控制外加磁场的强度来实现智能控制。通常这种剪切屈服强度可随非常迅速的在磁场改变一个数量级以上。2与磁流变液相比磁流变弹性体的颗粒移动有限制，因为磁流变弹性体中的颗粒是固化在基体里。与磁流变液不同的是在外加磁场条件下也不会发生相变现象。磁流变弹性体的特性仍可由磁场来智能控制，而且在这过程中响应迅速可逆。磁流变弹性体是一种新型的材料，应用前景非常广阔，我们对它的利用一般是利用磁流变弹性体工作在
23、材料的屈服强度之前。磁流变弹性体可以看作是磁流变液的固态模拟，在磁流变弹性体中母液被橡胶所代替。磁流变弹性体相比磁流变液最大的优点是颗粒不会随时间而沉降,也不需要用密封装置将磁流变材料进行密封。磁流变液通常工作于屈服后的状态，而磁流变弹性体只能工作于屈服前的状态。这就使得磁流变液与磁流变弹性体各有其可以利用的特点,而不能相互取代。14其他磁流变材料研究人员在磁流变液材料的研究基础之上，通过使用不同性质的基体或基液材料，继制备出磁流变弹性体之后，又相继发展出了磁流变胶MAGNETORHEOLOGIEALGELS，MRGS和磁流变泡沫MAGNETORHEOLOGIEALGELS，FOMS等多种类型
24、的磁流变材料，并成为了一个独立的学科方向。磁流变胶是以溶胶作为母液，将铁磁性颗粒均匀分散到其中混合而成。但其沉降稳定性不是非常理想，并且制备成本较高。15本论文主要工作磁流变弹性体是一种由铁磁颗粒和凝胶混合而成的新型可控智能材料。这种弹性材料的最大的优点是颗粒不会随时间而沉降，也不需要密封装置。磁流变弹性体在外加磁场条件下，其阻尼和刚度具有可变的特性，近年来广泛应用于减振设备的设计制造上。本论文结合磁流变弹性体的研究现状以及它在工程中的应用情况，基于磁流变弹性体挤压工作模式，提出了三种减振结构的概念设计方案，并利用MATLAB的SIMULINK对其中一种方案进行了建模，分析其理想化下的减振效果
25、，总结对减振结构的减振效果具有重要影响的因素。72振动控制简介21机械振动振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动量8如果超过允许范围，机械设备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时会导致零、部件的早期失效。211机械振动定义在自然界、工程技术、日常生活和社会活动中，普遍存在着物体的往复运动或状态的循环变化。这类现象称为振荡。例如大海的波涛起伏、花的日夜开闭、钟摆的摆动、心脏的跳动、济发展的高涨和萧条等形形色色的现象都具有明显的振荡特性。振动是一种特殊的振荡，即平衡位置附近微小或有限的振荡。工程技术所涉及的机械的结构的振动称作机械振动。21
26、2振动的分类由于不同的研究侧重点不同，所以对振动进行分类可以从不同的角度进行。按对系统的激励类型分为自由振动、受迫振动、自激振动、参数振动；按系统的响应类型分为确定性振动、简谐振动、周期振动、准周期振动、混沌振动、随机振动；按系统的性质从不同方面分为确定性系统和随机性系统、离散系统和连续系统、定常系统和参变系统、线性系统和非线性系统。还需指出，在不同条件下或为不同的目的分析同一个振动问题时，可以建立不同的振动模型。例如，外界激励很小的受迫振动可视为自由振动；在较短的时间间隔内研究周期很长的周期振动便与混沌振动难以区分；连续系统可将分布参量近似的凝缩为若干集中参量而简化为离散系统；微幅振动的非线
27、性系统可近似作为线性系统处理。需要指出的是，我们必须通过实验和实践来检验其结果。只有那些符合或大体符合客观实际的结果才是我们可以借鉴的。因此需要实际检验和理论分析来来客观对待振动问题。213自由振动和受迫振动系统受到起始扰动的激励所产生的振动称为自由振动，是没有外界能量补充的振动。保守系统在自由振动过程中总机械能是守恒的，动能和势能相互转换而维持等幅振动，称作无阻尼自由振动。无阻尼振动是对实际问题的理论抽象，实际生活中机械能的耗散，使自由振动不能维持等幅而趋于衰减，称作阻尼自由振动。系统在外界控制的持续激励作用下所产生的振动称为受迫振动。需要指出的是，外力的作用可以作为激励，同时基座运动所产生
28、的惯性力也可来用于激励。激励所引起的系统的振动状态称为响应。22振动控制从广义上讲，振动控制包括两方面内容有利振动的利用和有害振动的抑制，抑振（即振动控制）。振动控制的任务是通过一定的手段使受控对象的振动水平满足人们的9预定要求。221振动控制概述振动控制主要指振动抑制技术，主要包括消振、隔振、阻振和吸振等多种振动控制技术。消振，即消弱振源，通过减小激励抑制振动；隔振，即振动隔离，通过在振源和控制对象之间串联隔振器减小控制对象对振源的响应；阻振，即阻尼减振，通过在受控对象上附加阻尼元件或阻尼器来消耗能量减小主系统的响应；吸振，即动力吸振，通过在受控对象上附加动力吸振器来降低主系统对振源的响应。
29、消振技术是治本的方法，这种技术在不平衡转子系统中很常见；隔振和阻振可以在一定频段内减小受控对象对简谐和随机、单个和多个激励的稳态和瞬态响应；吸振主要用于减小受控对象在一定频段内对单个简谐激励的稳态响应。222振动隔离控制振动隔离控制可以形象化为在振源与减振对象之间外加一个隔振器，用以减小减振对象的机械振动频率1314。通常，按照是否有外部能源输入控制系统，隔振控制可分为两类被动隔振和主动隔振1415。某些时候，前者也称无源隔振后者也称有源隔振。被动隔振控制是为了使外界振动尽可能地少传到系统中来，这样设备和仪器就可以更加准确，减小外界的干扰，故需要把减振对象和机座隔离开来，这就是被动隔振。被动隔
30、振器的优点是结构简单、成本较低、稳定性高，不消耗附加能量，具有普遍的适用性。被动隔振控制目前而言，已经广泛应用于船舶制造和精密仪器等方面16。但是被动隔振控制存在一些局限性，只对某特定频率进行控制，振动调节和振动追踪能力不是很理想。而且由于稳定性的限制，被动隔振也无法对低频振动进行衰减，一旦设计完成，其参数很难更改。对于隔振对象系统状态变化较大以及外界干扰较强的条件都不太理想。因此现如今研究人员越来越重视研究利用主动元件进行隔振。为了克服上述缺点，人们提出了主动隔振的概念17。主动隔振就是隔离振源，指的是机器本身是振源，它通过机脚、支座传至基础或基座，是振源的震动经过减振后在传递出去，从而减少
31、对周围环境和设备的影响。主动隔振是在被动隔振的基础上。主动隔振按形式可分为两种方式完全主动隔振，主动/被动混合隔振。由于智能材料的结构的特点是兼有主动隔振和被动隔振的优点，也就是所说的混合隔振，因此在应用上我们不仅可以通过被动控制来消耗系统的能量，同时可以利用主动隔振来控制系统达到理想的减振效果，这是当前振动隔离技术的研究热点。103磁流变弹性体减振器31磁流变弹性体减振器概述磁流变弹性体是具有磁流变效应的固体材料，一般可由铁磁颗粒和橡胶或凝胶混合固化而成。使用这种材料的优点是颗粒不会随时间而沉降，也不需要将磁流变材料保持在一个密封的工作环境中。其工作方式主要有两种，即剪切式和挤压式。现如今可
32、控的智能材料有很多，然而含有磁流变材料的智能结构拥有更好的可控性，因为其阻尼和刚11度能在外加磁场的控制下可以快速可逆地改变，且具有响应速度快、工作能耗低、致动力变化范围大、埋放工艺和控制方式简单等优点，在减振结构设计中被广泛应用。32磁流变弹性体减振器研究现状FORD公司研究设计出一个套筒，基于磁流变弹性体并已经申请了专利，如图31所示。金德等人利用磁流变弹性体是一种可控材料，其阻尼和刚度可由外加磁场控制的特点，设计出了一种磁流变弹性体轴衬，它的特点是不管在轴向和径向都能实现不同的刚度，并且设计了一种其共振频率可以通过外加磁场进行调节的可调振子18。图31磁流变弹性体的汽车悬架套筒中国科技大
33、学邓华夏基于新型智能材料磁流变弹性体设计了一种新型减振器19，其剪切模量可以实现智能控制，由于设计创新突破已经顺利申请了专利20。龚兴龙等人设计出一种减振器，它的频率是可人为调控的，因为磁流变弹性体作为一种智能弹性元件其刚度和阻尼可控制。通过控制外界磁场的强度，可以改变磁流变弹性体的剪切模量，即改变了其刚度和阻尼的特性，通过振动力学我们可知在这种情况下，其固有频率也会发生改变。这样我们可以很清楚的知道这种减振器的原理，就是利用磁场控制磁流变弹性体的剪切模量达到控制固频的目的，这样我们可以时时追踪外界激励的频率变化，主动的通过改变自身固频使其在一个合适的范围之内，达到最佳的减振效果，从而达到半主
34、动对系统的减振目的，如图32所示。通过实验数据可知，0A条件下，该减振器的固有频率是55HZ，15A条件下，该减振器的固有频率是80HZ左右，也就是说固频改变达到了25HZ。当然与被动减振器相比的话，可以在更宽的频率范围12内对系统起到减振的良好效果。王莲花等人将遗传算法改进移植到吸振器，对其进行优化控制。实验结果表明，这种遗传算法的特点是可以全局搜索并且快速收敛，因而能使吸振器快速找到最佳的减振效果点，经过优化控制的磁流变弹性体自调谐式吸振器在移频范围内具有良好的减振效果，其减振效果最高可达25DB21，其吸震器结构如图33所示。图32半主动吸振技术原理图图33吸震器结构示意图华南理工大学王
35、世旺等人通过大量实验研究和理论分析，对磁流变弹性体的阻尼刚度变化对转子系统稳定性的影响情况做出了深入了概述。他创新性的基于磁流变弹性体的剪切模式下应用于滚动轴承上。通过实验得出要想得到良好的减振效果，就要使用性能优良的磁流变弹性体材料，并且提出合理的结构设计，这样磁流变弹性体的阻尼和刚度才会有很好的可控性；另一方面外加磁场的增强会改变磁流变弹性体的特性表现为刚度也增大，这对系统整体的减振起到关键的作用，磁流变弹性体减振器的结构如图34所示22。13图34磁流变弹性体减振器的结构九江学院的丁志华等人与英国格拉斯哥大学合作，利用磁流变弹性体做成空气弹簧，已获得国家实用新型发明专利。主要通过对磁流变
36、弹性体的微观物理力学机理及高性能磁流变橡胶的制备工艺等研究，开发出一种在磁场变化条件下可以实时改变高度和刚度的空气弹簧，以解决车辆悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾等问题，它不仅可以提高车辆的舒适性、行驶平顺性和操作稳定性，还可以减少车辆关键承载零部件的损坏，以及车辆特别是重载车辆对路面的破坏。可广泛应用于各种机动车的悬架减振系统，具有广阔的应用前景23。佛山大学汪建晓和华南理工大学王世旺等人研究设计了一种自定心挤压式磁流变弹性体阻尼器。这个减振器不同于其他的剪切式减振器，而是基于磁流变弹性体的挤压工作模式而设计出的，如图35所示。在设计出减振结构后，他们还系统研究了支承在该减振器上的柔性转子系
37、统的不平衡响应特性24。通过大量的实验测试分析表明，磁流变弹性体的阻尼和刚度随着外加磁场的加强而增加；这导致转子系统的一阶临界转速相比未采用此减振器的系统而言大大提高了，此外对于二阶临界转速下的机械振动可以利用增加一个开关来减小。挤压式磁流变弹性体阻尼器对于转子系统的机械振动有着良好的减振效果，相比较基于剪切模式才减振器更佳稳定和易于操作。14图35挤压式磁流变弹性体阻尼器结构浙江师范大学机械装备与测控技术研究所的王鸿云等人对磁流变液在不同直流电作用下的准静态挤压过程进行了实验研究25。建立了用于测试磁流变液挤压模式下的力学性能的实验装置。并通过ANSYS对此实验装置磁路的磁感应强度分布进行了
38、仿真分析。实验结果表明压应力与压应变、外加电流大小和磁流变液本身的性能都有密切的关系。对研究磁流变弹性体在挤压模式下的减振结构设计有很重要的参考价值。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的付华等人在分析了挤压式磁流变弹性体减振器工作原理的基础上，通过磁路计算，推到出挤压式磁流变弹性体减振器的阻尼计算公式26。测量了该纳米级铁磁流体在零磁场下粘度。以纳米级磁流变弹性体为例，分别计算出该减振器在设定条件下的阻力位移、阻力速度变化规律。并讨论位移、速度、加速度和励磁线圈电流对阻尼的综合影响。为挤压式磁流变弹性体减振器的进一步研究提供了理论依据。154磁流变弹性体挤压模式减振结构的概念设计41圆盘式磁
39、流变弹性体减振器411设计思路磁流变弹性体是一种新型智能材料,在外磁场的作用下能在瞬间毫秒级改变其刚度与阻尼特性，而且这种变化是可逆的。基于磁流变材料的这种特性可以开发各种减振控制的器件。由于磁流变弹性体减振器一般体积较小，功耗较少，并且响应频率较高、动态围较广和适应面更宽。与传统的被动式减振器相比，适应性更好；与主动减振器相比，不需要复杂的控制算法并且减振器更加稳定。因此使其成为磁流变弹性体最重要的研究领域。目前国际上研究出很多基于磁流变体的减振器。尽管形式上各种各样，但归结起来可以分为3大类压力驱动模式、剪切模式和挤压模式。现今研究状况是对于剪切模式下的大行程磁流变减振控制已进行了很多研究
40、,但是基于挤压工作下的磁流变弹性体减振器的研究相对较少。基于挤压式减振器小位移大阻尼的特点，多应用于精密仪器天平，光学设备等消除外界振动噪声的干扰。徐春晖等研究了牛顿流体在平行圆盘间的挤压流动,根据二阶流体本构关系发现了量纲一的法向粘性力特性。劳恩等研究了具有滑移现象的牛顿流体与幂率流体的圆盘挤压流特性。库马里等研究了平行圆盘挤压下流体的非稳定流动。加特林等研究了宾汉流体的圆盘挤压流。朱克勤等研究分析了磁流变液在挤压模式下的流动特性,得出了挤压力会由外加电压的变化而变化。目前世界上对磁流变液在挤压工作下的特点进行了大量的实验研究和理论分析,相比而言，基于挤压模式的磁流变减振器的研究相当少,故本
41、人基于磁流变弹性体的特性，设计了基于挤压模式的圆盘式磁流变弹性体减振器,为磁流变弹性体减振器设计奠定理论基础。412结构设计图41为基于挤压模式下的圆盘式磁流变弹性体减振结构示意图。如图所示，1是螺钉；2是上封盖；3是圆形推盘；4是磁流变弹性体；5是励磁线圈；6是基座。基座内有圆形凹槽，垫有圆形磁流变弹性体，该磁流变弹性体由按一定比例混合的硅油、硅橡胶和铁粉，在室温下固化得到的。磁流变弹性体在制备时外加了磁场以使其内部沿磁场方向形成链状结构。推盘上方仍有一层环形磁流变弹性体。紧贴在磁流变弹性体和推盘外边的是励磁线圈，上封盖与基座用螺钉连接固定。161螺钉；2上封盖；3圆形推盘；4磁流变弹性体；
42、5励磁线圈；6基座图41圆盘式磁流变弹性体减振结构413工作原理圆形推盘上方可放减振对象，例如发动机。磁流变弹性体减振器上部直接与发动机相连,因此发动机不运转时由圆形磁流变弹性体承受其重量。当发动机运转时会产生机械振动通过圆形推盘传递到支撑座,圆形推盘与下方挤压圆盘是一个整体从而使其上下运动。励磁线圈通电后产生磁场,垂直于挤压圆盘,同时也垂直于磁流变弹性体。而磁流变弹性体内的链或柱状聚集结构的颗粒也是垂直于圆形推盘的。磁场的产生是由于线圈通电，控制电流大小即可控制磁场强度，进而改变弹性体的性质，从而达到减振器减振的目的。上封盖、基座、圆形推盘作为磁路引导元件，均由低碳钢制造，以保证磁场沿垂直于
43、圆形推盘表面的方向穿过磁流变弹性体。42基于滑动轴承的磁流变减振结构421设计思路根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。滚动轴承由于摩擦系数小，启动阻力小，而且它已17标准化，选用、润滑、维护都很方便，因此在一般及其中应用广泛。且基于滚动轴承利用磁流变弹性体在挤压工作下的减振结构设计已经有很多。滑动轴承是在滑动摩擦条件下工作的轴承，如图42所示。利用液体润滑使滑动表面不发生直接接触，不仅可以很好的减小表面磨损和减小摩擦损失，并且利用油膜还能达到一定的吸振效果。轴被轴承支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面
44、的摩擦性质而在其内表面上浇铸的减摩材料层称为轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。滑动轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。但尽管在低速运转情况下，任然会产生机械振动，影响系统的整体稳定性和寿命。磁流变弹性体可用于控制振动系统的阻尼和刚度，已在汽车、机械、建筑等领域的振动主动控制方面得到了一定的应用。根据轴颈及其支承系统的结构和振动特点，可将挤压式磁流变弹性体引入滑动轴承的振动控制中。但本人对挤压式磁流变液弹性体应用于滑动轴承的振动控制中只是一种设想，利用磁流变弹性体进行理论上的结构设计，希望对磁流变弹性体在滑动轴承上的应用以及其工程应用提供一
45、些参考价值。图42径向滑动轴承示意图422结构设计图43是基于滑动轴承的磁流变弹性体减振结构的简图。1为轴颈；2为油孔；3为轴承盖；4为励磁线圈；5为磁流变弹性体；6为轴瓦；7为销钉；8为轴承座。轴瓦为凸缘设计，与轴承盖和轴承座配合，防止其轴向移动。轴瓦与轴承座利用销钉定位，防止轴瓦周向移动。为了使轴瓦与轴颈的油膜均匀润滑，创新性的将油孔开在轴瓦两端，18而非传统的由轴承座中间开设油孔。轴瓦的外面由一层在室温下固化而得的磁流变弹性体包裹。该弹性体在模具中固化时外加一定磁场提高磁流变效应，以使铁磁性颗粒沿磁场方向形成有序的结构。轴承盖、轴承座与磁流变弹性体紧贴接触。利用双头螺柱连接固定轴承盖与轴
46、承座。1轴颈；2油孔；3轴承盖；4励磁线圈；5磁流变弹性体；6轴瓦；7销钉；8轴承座图43基于滑动轴承的磁流变弹性体减振结构423工作原理系统工作时，轴颈由于轴的机械振动而产生小位移振动，又由于轴自身重量，使得轴瓦挤压磁流变弹性体面。我们通以直流电让线圈产生磁场，因而磁场强度可以由线圈的电流来控制，也就达到了控制磁流变弹性体弹性模量的目的，最终智能控制减振器的减振效果。轴承盖、轴承座作为磁路引导元件，因此制造材料均由低碳钢用以保证磁场沿垂直于轴瓦表面的方向穿过磁流变弹性体。1943基于轮胎联轴器的磁流变减振结构431设计思路联轴器是用来联接不同机构中的主动轴和从动轴的机械零件，其作用是使两轴共
47、同旋转从而达到传递扭矩，如图44所示。在不同机构的传动中，有些联轴器还有缓冲减振并提高系统动态稳定性的作用。根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力，即能否在发生相对位移条件下保持连续的功能，联轴器可分为无补偿功能的刚性联轴器和有补偿功能的挠性联轴器两大类。然而对于挠性联轴器而言，因是否含有弹性元件，又可分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器两个类别。对于前者因装有弹性元件，在补偿两轴间的相对位移同时还具有缓冲减振的能力。弹性元件所能储藏的能量愈多，则联轴器的缓冲能力愈强。制造弹性元件的材料有橡胶、塑料等，其特点为质量小，价格便宜，有良好的弹性滞后性能，因而减振能力强。而其中的轮胎式联
48、轴器富有弹性，具有良好的减振能力，能有效地降低动载载荷和补偿较大的轴向位移，而且绝缘性能好，运转时无噪声。磁流变弹性体是一种新型智能材料,在外磁场的作用下能在瞬间毫秒级改变其刚度与阻尼特性。将磁流变弹性体材料应用与轮胎式联轴器，通过对外加磁场的控制改变其刚度与阻尼，从而达到更佳的减振效果，使轮胎式联轴器的应用范围更广。图44轮胎式联轴器432结构设计轮胎式联轴器分为凸型和凹型两大类，凸型又分为带骨架整体式、无骨整体式和径向切口式三种。它们的共同特点都是将轮胎环用螺栓来连接两半联轴器以实现两轴的连接。轮胎环内侧用硫化方法与钢质骨架粘接成一体，骨架上的螺栓孔处焊有螺母。装配时用螺栓与两半联轴器的凸
49、缘连接，依靠拧紧螺栓使轮胎与凸缘端面之间产生的摩擦力20来传递转矩，轮胎环工作时发生扭转剪切变形，故轮胎联轴器具有很高的弹性，补偿两轴相对位移的能力较大，并有良好的阻尼，而且结构简单、不需润滑、装拆和维护都比较方便。图45是基于轮胎式联轴器的磁流变弹性体减振结构的简图。1是橡胶或橡胶织物制成的弹性元件；2是磁流变弹性体；3是螺钉；4是半联轴器；5是压板；6是励磁线圈。如图所示，用橡胶或橡胶织物制成轮胎状弹性元件，两端用压板及螺钉分别压在两个半联轴器上，联轴器与弹性元件之间夹着一层磁流变弹性体。两个半联轴器之间是励磁线圈，励磁线圈边缘紧贴橡胶弹性体，以保证其固定。1橡胶或橡胶织物制成的弹性元件；2磁流变弹性体；3螺钉；4半联轴器；5压板；6励磁线圈图45基于轮胎式联轴器的磁流变弹性体减振结构433工作原理轮胎式联轴器工作时，联轴器所连接的两根轴因高速转动而产生振动，轴之间产生轴向位移，使得压板持续不断的挤压磁流变弹性体。通以直流电让线圈从而产生外加磁场，因此可以控制线圈电流大小来可控制磁场强度，进而可以改变磁流变弹性体的性质达到减振的效果，使轮胎式联轴器不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且缓冲减振效果21更好。5磁流变减振器减振效果分析51振动模型建立上述文章所阐述的三种减振结构的设计，都是基于磁流变弹性体挤压工作模式下设计出的。为便于读者认识磁流变弹性体挤压工作模式下减振结构
