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有限元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具有特殊性能的智能流变材料。通过软磁性材料混合入弹性体中从而形成磁流变弹性体，因此它具有一些特征，如响应速度快，精确可控性，小能量和较宽的工作温度范围等优异功能使得磁流变弹性体的技术迅速发展，并成功地运用在各个领域，尤其是在振动控制。然而大多数磁流变弹性体设备都是在剪切模式下设计的，在这种模式下压力较低以至于不能完全达到工业要求。同样的情况换在挤压模式下可以获得更高的压应力，因此这种方法吸引了众多研究者新的兴趣。本
2、论文通过采用磁流变弹性体作为核心元件，设计出几种挤压工作模式下的减振结构。并通过有限元分析设计中的磁场分布。【关键词】磁流变液；挤压模式；有限元分析；减振控制II【ABSTRACT】MAGNETORHEOLOGICALELASTOMERISANINTELLIGENTRHEOLOGICALMATERIALWHICHCANBEARTIFICIALLYCONTROLLEDANDITISMADEBYTHESOFTMAGNETICMATERIALMIXEDINTOTHEELASTOMERWITHPECULIARPERFORMANCEEXCELLENTFEATURESLIKEFASTRESPONSE,PR
3、ECISECONTROLLABILITY,SMALLENERGYANDWIDEWORKINGTEMPERATURERANGEMAKEMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERTECHNOLOGYDEVELOPANDAPPLYSUCCESSFULLYINVARIOUSFIELDS,PARTICULARLYINTHEVIBRATIONCONTROLMOSTMREDEVICESWEREDESIGNEDINTHESHEARMODE,BUTTHESTRESSISTOOLOWTOSOLVETHEINDUSTRIALNEEDS,WHICHISTHEMAJORREASONTHATMRETECHNO
4、LOGYCOULDNOTBEAPPLIEDWIDELYHOWEVER,THECOMPRESSIVESTRESSCANBEOBTAINEDMUCHHIGHERINTHESQUEEZEMODESOTHISAPPROACHHADATTRACTEDNEWINTERESTSOFMANYRESEARCHERSBYUSINGMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERASTHECORECOMPONENT,THISTHESISDESIGNEDSEVERALEXTRUSIONMODEDAMPINGSTRUCTURESTHEFINITEELEMENTANALYSISWASUSEDTOANALYZETHE
5、MAGNETICFIELDOFTHEDESIGN【KEYWORDS】MAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSQUEEZEMODEFINITEELEMENTMETHODMAGNETICSVIBRATIONCONTROLIII目录摘要IABSTRACT错误未定义书签。目录III1绪论111选题的背景与意义1111选题的背景1112选题的意义112国内外文献综述2121国内研究现况2122国外研究现况313小结42磁流变材料概述及其应用521磁流变材料5211磁流变液5212磁流变泡沫5213磁性橡胶6214磁流变弹性体722磁流变体材料的性能及应用7221磁致伸缩性能10222磁致
6、电阻11223磁学性质1123磁流变弹性体中存在的应用问题1124小结123挤压式模式下的磁流变弹性体减振器原理1331减振器基本原理1332模型建立13321力学模型13322磁路计算14IV33小结164挤压工作模式减振结构的概念设计1741磁致效应1742挤压模式错误未定义书签。43结构设计17431方案一17432方案二1944小结205有限元分析2151有限元分析2152分析过程21521准备工作21522建模和分析236总结2661全文工作2662展望26参考文献27致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。11绪论11选题的背景与意义111选题的背景磁流变材料是一类智能材料的总称。
7、包括液态磁流变材料和固态磁流变材料两种。磁流变液（MRF）是由相对低磁导率的母液、相对高磁导率的微粒和一些用于调节的添加剂组成。当无外加磁场时，此类流体遵循普通的流体定律；而一旦施加磁场，流体内部发生急剧变化，表现出固体才会具有的特征，而且表观粘度会增加数倍，而当移除外加磁场后又会回复到初始状态。然而磁流变液的应用因其有易沉降，稳定性差，颗粒易磨损等缺点而面临尴尬的场面。由于存在上述问题，所以一种新型磁控智能材料磁流变弹性体MRE应运而生。它是将微米级的颗粒如羰基铁粉分散在橡胶或硅油中形成一定结构后固化而成。由于颗粒固定在基体内部，因而没有产生颗粒沉降等问题。相比于其他的磁流变液，磁流变弹性体
8、的优势表现为以下几点可控性、可逆性、响应迅速和稳定性好结构设计简单因为使得其制备成本低等。由于磁流变弹性体同时具有液体与固体两方面的优点，通过控制外加磁场从而可以改变它的力学、电学、磁学等性能。所以它作为一种新型的智能材料具有广泛的应用前景。112选题的意义随着时代进步，现代工业技术日趋成熟，自动化的程度也不断加深。但机器设备在运行中不可避免的产生机械冲击但这样会损伤仪器，使其寿命简短，严重的甚至威胁到人身安全。因此减小和避免机械冲击是我们设计开发的一个重大问题。在机械设计里，为了减缓机械冲击我们会采用线性减速的方法，而要达到线性减速则需要选取合适的缓冲器。采用缓冲器的方法可具有以下优点首先使
9、得机器设备的运转速度得以提高而不会引起过度的磨损，且对振动和有害噪声起到抑制作用；继而极大地降低了缓冲力，延长了其使用寿命；组后其简化设计从而降低成本。因为磁流变弹性体作为隔振缓冲器的核心元件，所以当载荷作用于隔振缓时，磁流变弹性体会将冲击产生的能量转化为其他形式的能量，而且这样的转换我们可以通2过外加磁场来控制，继而优化隔振缓冲器的各项性能。12国内外文献综述对于磁流变弹性体，国内外各学者专家都先后对其进行了不同方向、层次的深入研究，本论文在此简单介绍下迄今为止国内外的研究现状。121国内研究现况在中国，不少研究人员也对磁流便弹性体做了相关深入的研究。中国科学技术大学的陈琳就磁流变弹性体基体
10、中增塑剂对材料磁流变效应的影响做了详细的研究。表明添加增塑剂可以使得磁流变弹性体的相对磁流变效应大大提高。陈琳也对提高磁流变弹性体材料的性能作了进一步的研究和说明，分别研究了各方面的影响如基体类型、预结构化时磁场强度和温度、增塑剂和磁性颗粒含量等1。中国科学技术大学邓华夏也设计出一种磁流变弹性体减震器并申请了相关专利2。龚兴龙教授课题组也设计出一种磁流变弹性体频率可调式动力吸振器。控制磁流变弹性体的外加磁场，继而调节吸振器的固有频率。这就是磁流变弹性体移频式半主动吸振器的基本原理，如图11所示。图11半自动吸振技术原理图3图12吸振器结构示意图4也有将吸振器进行遗传算法并加以改进，王莲花就是这
11、样对其进行优化控制。通3过多次的实验表明这种遗传算法能快速精确地找到吸振器减震效果的最佳条件点，从而达到良好的减震效果，减震效果非常明显4,而其吸振器结构如图12所示。另外，佛山大学汪建晓等人也研制出了一种自定心挤压式磁流变弹性体阻尼器。其减振效果可有外加的磁场进行调控，并对转速进行反馈。磁流变弹性体阻尼器采用挤压式控制，因为具有结构相对简单，性能稳定，控制效果明显等特点，结构如图13所示12。图13挤压式磁流变弹性体阻尼器结构5九江学院的丁志华等人也进行此方面研究，利用磁流变弹性体等多种材料做成空气弹簧，并以此获得国家实用新型发明专利。这种空气弹簧可以通过磁场的改变从而改变自身的高度和刚度。
12、这种材料可广泛应用于各种悬架减振系统，有广阔的应用前景6。122国外研究现况1995年，日本丰田中心研发实验室的TSHIGA等人利用硅树脂和铁粉混合配制了具有磁控性能的磁致粘弹性的凝胶，此后SHIGA等人又试图对硅橡胶为基体的磁流变弹性体性能进行改进。上述SHIGA等人的研究可以说是磁流便弹性体研究的最早开始。此外，GINDER等人用利用限元分析磁流变弹性体相关性能。结果指出在磁饱和的情况下磁流变弹性体的剪切模量比零场时增大一半以上7。同样在考虑磁流变弹性体的磁致剪切模量时，加拿大的YSHEN等人则构建了耦合场模型进行分析，这个更符合实际情况8。国际上目前还没有关于磁流变弹性体力学性能有一个统
13、一的测试标准。在对磁流变弹性体的力学性能的测试与分析中美国LORD公司的研究人员JOLLY和CARLSON做出了不少分析。而GINDER和DAVID也对磁流变弹性体的另一些力学性能进行了分析9。中国科学技术大学的龚兴龙等人为了得到一个较大频域内的力学特性而设计出两种系统，低频测试系统和高频测试系统。4GINDER等人则通过控制外加磁场改变磁流变弹性体的力学性能这一原理，设计出了一种可调振子，通过改变磁场大小而进行相应调节其可轴向和径向不同的刚度。由此，申请了一个基于磁流变弹性体的套筒的专利，如图14所示10。图14磁流变弹性体的汽车悬架套筒1113小结本文初步介绍磁流变弹性体的有关研究和其潜在
14、的运用前景。所以对其的研究是具有很高价值的。本文就其在挤压减振器中的运用进行一些探索。52磁流变材料概述及其应用21磁流变材料磁流变MAGNETORHEOLOGICAL，简称MR材料是一类新型智能材料，它们的力学性能在外加磁场控制下可连续变化，且可逆性好、响应快，近年来在各个领域有广泛应用，如建筑、汽车、振动控制抗冲击装置等领域。磁流变材料是大的组织，这个组织包括磁流变液、磁流变泡沫、磁流变胶和磁流变弹性体MAGNETORHEOLOGICALELASTOMERS。磁流变弹性体作为磁流变材料的一个新的分支，其制备、机理和应用研究越来越受到重视。，磁流变弹性体因其独特的特性因而在主动式动力吸振器以
15、及电磁传感器等多个研究领域都具有巨大的应用潜能。211磁流变液磁流变液是一种由均匀散布在母液中的高磁导率微粒和低磁导率的母液组成的悬浮液。这类流体不加磁场时与普通的牛顿流体性质相同，当外加磁场，流体性质会发生急剧变化，从而呈现出固体的特征，表观粘度和剪切屈服强度会增加很多。材料在去除磁场后又会回复到原来的状态。这种变化是在瞬间完成。当液体的磁导率大于颗粒物质，该材料则称为INVERSEDMRF。因此非磁性颗粒在磁性媒介之中颗粒的尺寸、颗粒尺寸的分布、密度、形状和矫顽力对其特性都是很重要的1213。除了磁性颗粒外，母液、添加剂、表面处理剂也是对磁流变液的流变特性、重分散和稳定性性起重要影响的因素
16、。磁流变液的研究和应用因磁流变材料长期稳定性及颗粒的沉降等问题难以解决而在八十年代前一直处于停滞状态，这使得很少有人注意到它的价值。戏剧性的改变是在第五届国际电流变国际会议上，越来越多的研究开始展现迟来，至此电流变液和磁流变液统才被统称为场致可控流体。它们都是可被极化的微粒，因相互之间存在的作用力而形成链状和柱状结构，从而使具有很强抗剪切能力。然而当去除外场后，分子的布朗运动会使微粒重新均匀分散开，呈现液体状态。一般描述剪切屈服强度和颗粒链作用造成的粘度变化的关系可以运用简单的BINGHAM模型14。212磁流变泡沫6鉴于磁流变液的一些问题如长期使用会变稠，颗粒磨损而导致化学和物理的不稳定性；
17、而且由于对机械的加工精度要求严、磁流变液器件需要密封环境、制备成本高等诸多原因限制了其广泛性被应用。磁流变泡沫（MAGNETORHEOLOGICALFOAM）材料则可以部分解决上述问题。磁流变泡沫基体的一个主要组成部分为吸收基质，此类材料通过毛细作用从而吸附磁流变液，因此其实际上是磁流变液的一种特殊使用形式。其工作原理和磁流变液相近，都是依靠外加磁场从而调节其剪切屈服强度。因为其主要表现形态为类固体状态，所以对容器和密封装置要求不高，从而简化了机械结构，降低了使用成本15。磁流变泡沫可以在磁控圆片刹盘、磁控阻尼器等设备制造上取代磁流变液。它也可在一定程度上认为是磁流变液和磁流变弹性体的过渡产品
18、。213磁性橡胶磁性橡胶（MAGNETICRUBBER）是由橡胶、磁性粉末状材料和少量配合剂经过精细加工，例如硫化和混炼从而制成的弹性材料（还有一类是本身就具备有磁性的高分子材料单体聚合而成，鉴于其磁化程度较低，还无法广泛使用）。这类材料既具有较好的磁性，又保持着较好的高弹性。根据添加不同的磁性粒子，磁性橡胶被分为永久磁性材料、硬磁和软磁1618。其主要是利用粒子的橡胶的易加工和固有磁性等特点。磁性粒子一般使用钏钴和铁氧体等稀土类磁性材料，此类材料在15000奥斯特的外加磁场作用下才能充分磁化，而其基体为天然或合成橡胶。磁性橡胶也有广泛的运用，主要用于需要较强剩磁的工业产品中,如冰箱门、汽车车
19、窗和建筑物门窗的密封条等、铁粉过滤、计量仪器检测仪器直流电动机作为磁源、绘图板、非接触式轴承、转轴的制动装置、文具、电磁波的吸收体、教具、玩具、磁性搬运及磁性牙刷磁化杯等医疗器械等。近年来，以磁性橡胶与金属等复合的减振材料也出现在铁路运输系统中，凭借磁性吸力贴附在铁路桥和铁轨旁侧的腹板上，起到减振和降低噪声的作用1718。而软磁磁性橡胶主要用于通讯技术、无线电技术、电视音像、电子计算机的记忆装置等。磁性橡胶不仅具有较好的弹性，而且和普通磁体一样具有可磁性的特征。而它的磁学特性使用比较广泛，但这样却不能通过外场改变其力学等其它各种性能，总的来说，磁性橡胶还不能算得上是一种宏观力学性能可以通过外场
20、来控制的智能材料。它和智能材料类里的磁流变材料不在同一个范畴。7214磁流变弹性体磁流变弹性体MAGNETORHEOLOGICALELASTOMERS或MRELASTOMERS作为磁流变材料的一个新的研究方向，具有很大的突破。首先它是由聚合物的基体混合磁性微粒组成胶状体。外加磁场的改变会引起它的力学、磁学和电学等诸性能也跟着改变。它同时具有磁流变材料和弹性体的双面优点，例如响应快，可逆性好，可抓能力强等，但同时也克服了它们的缺点如磁流变液易沉降等。因此成为研究的一个热门话题。它可以广泛应用于相关领域，如机械传动，减振隔振等，大大简化机械结构，对可控制性能有进一步的改善，达到一些自动化控制的功能
21、。虽然磁流变弹性体具有磁流变液等特点，但二者的形成原理不同，还是存在差异。它们的不同如下首先它们的工作状态是不同的。磁流变液主要在屈服后和流动阶段表现出其性能上的使用。而磁流变弹性体只能工作在屈服前阶段。因为磁流变弹性体会因达到屈服点以后被破坏而无法恢复了。主要是铁磁性颗粒是被固化在基体里，其移动受到了很大的限制，在加磁场前后未发生相变现象。磁流变弹性体因具有磁场可控的力学性能的特点，所以它对磁场响应是可逆的。22磁流变材料的性能及应用近二十年来，磁流变液在工程上的应用探索获得了迅猛发展。八十年代，涌现出大量关于此类材料的专利和装置，例如建筑上的电流变减振器。磁流变液可用于离合器、阀、悬挂系统
22、、刹车和阻尼器等。当然它离商业化还有相当大的距离。较早研究将磁流变液应用到工程中的是白俄罗斯传热传质研究所的KORDONSKY领导的小组19。在LORD公司的CARLSON等人随后也申请了新型磁流变液和磁流变设备的专利，率先走上了商品化、产业化的道路。他们开始专业研究、销售、制备磁流变液及开发其应用器件。在磁流变液的制备方面解决了许多技术上的问题，如易沉降、长效性不长等20。在FORD汽车公司里长期研究磁流变液的机理及应用等方面是以DAVIS和GINDER为代表的小组。他们为磁流变材料运用做出了巨大贡献。在现在的市场上，磁流变液应用还有一些限制，在半主动振动控制和力矩传递是个重要的增长点。冲击
23、缓冲器、半主动减振阻尼器、制动闸、可调阻尼器、离合器和密封装置是磁流变液最广泛的使用领域21。在这些应用中，这些执行器和器件使用的关键参数包含了器件的工作模式、流体的流变性能、磁力回路的优化设计、磁8感应的引导和线圈构造22。目前已经正式使用的磁流变液器件的是光学透镜磨制加工工艺，同样也可运用在健身器材中的可调磁流变液旋转阻力器。在CADILLAC豪华轿车上使用的MAGNERIDETM半主动磁流变悬挂装置、赛车专用的防冲击减震器、斜拉索桥钢索的磁流变阻尼减振器（用于中国湖南洞庭湖大桥）和博物馆建筑中的防地震磁流变液阻尼器等都能看到磁流变材料23。美国LORD公司的磁流变商品的运用包括重载车辆座
24、位悬挂系统，也用在为锻炼设备提供可调旋转阻尼器。而磁流变液器件也在医学上得以应用如癌症治疗和声波控制，假肢，触觉手套，机械人关节等开发，展示了其更加广阔的应用前景24。磁流变液也广泛运用在军事上。图21是美国的悍马战车（HUMMER），其计算机控制的磁流变悬挂系统是由ARMYTANKANDARMAMENTSCOMMANDTACOM研制。图22为MIT的GARETHMCKINLEY教授使用磁流变液研制的瞬时装甲INSTANTARMOR。在磁场控制下，包含磁流变液夹层的织物会立刻变成坚固的装甲，该项目也因此受到美国军方的高度关注。此外SATCONTECHNOLOGYCORPORATION研制出的磁
25、流变液的连续可变传动装置MAGNETORHEOLOGICALFLUIDBASEDCONTINUOUSLYVARIABLETRANSMISSION，此项工作也受到美国ARMYRESEARCHOFFICEARL的巨额资助。图21装备磁流变液悬挂系统的悍马军车9图22磁流变液瞬时装甲上个世纪九十年代我国开始对磁流变液及技术研究。到目前在材料制作和流变机理研究和工程应用方面取得了不错的成就。较早从事这方面研究有以下学校和研究所中科院物理所、中国科学技术大学，而西北工业大学等单位也在这一领域展开工作。其中多数是关于电磁流变液应用器件的研究。首次在汽车悬挂系统上试用磁流变阻尼器是重庆大学。香港科大也已经将
26、磁流变液阻尼器用于湖南省洞庭湖大桥上斜拉索桥钢缆的减振结构中。标志着中国在电磁流变材料领域的研究工作得到国际认可是2004年9月在北京召开的第九届电磁流变液国际会议。图23磁流变弹性体在潜艇的应用磁流变弹性体还可应用于潜艇的减振降噪。隐身性能是潜艇的生命也是其威慑力10的有效保证，暴露潜艇的特征信号有电磁光波、声波、磁场、水压场等，但只有声探测可达到远程。声纳探测仍然是发现潜艇的主要有效手段之一，故降低潜艇水下辐射噪声具有重要意义。尽管磁流变弹性体的研究才刚刚开始，但是其仍然显示出了巨大的应用潜力。磁流变弹性体的磁场可控性能主要包括221磁致伸缩性能BEDNAREK在测试均匀硅树脂的电容的变化
27、得知其长度的也跟随着改变，结果证明了磁致伸缩的量级为102，而且最后会出现滞回现象25。同样的GINDER也在实验中研究圆柱形磁流变弹性体得到在008T磁场下的磁致伸缩特性如图164所示26。图中表明不论磁场方向如何改变，磁滞伸缩都为正，磁滞伸缩的量级为103且带有滞回现象。图23柱状磁流变弹性体轴向长度随磁场的变化曲线2611图24磁流变弹性体电阻随磁场的变化曲线27222磁致电阻一般都把绝缘体作为磁流变弹性体中基体，因而其电阻主要受颗粒影响。在这些因素中颗粒体积比以及颗粒的间距是最直接的影响，其次磁场和应变也可以改变阻值。BOSSIS也通过实验证明磁场对磁流变弹性体的电阻值影响也是不容忽略
28、的28。223磁学性质由于磁流变弹性体结构有很多种，而磁导率与其机构有关，所以也表现的各向异性。GINDER研究基体为天然橡胶、颗粒体积比为27的磁流变弹性体得出如果横向初始磁化率为24，那么竖向初始磁化率则为1329。JOLLYMITSUMATAGINDER也通过实验证明了磁流变弹性体磁化强度与颗粒体积比的乘积即为其饱和磁化强度。鉴于磁流变弹性体的磁导率对于应变的反映很敏感，所以可在传感器领域得到广泛运用。图25磁场和应变耦合情况下的磁流变弹性体磁导率变化H123KA/M；H0KA/M2823磁流变弹性体中存在的应用问题12对磁流变弹性体的研究还是处于比较初期的阶段，许多的研究都没有达到统一
29、，在制备和性能上都会有不同，再加上由于材料本身在的诸多原因，磁流变弹性体远未能成为工业化和商业化的产品。24小结本章简单介绍了磁流变材料的分类和磁流变弹性体的一些概念，也名列出一些磁流变材料的运用领域，也指出一些不足和缺陷。133挤压式模式下的磁流变弹性体减振器原理31减振器基本原理挤压式磁流变弹性体减振器原理如图31，磁极移动方向与磁场方向相互平行，磁流变体在磁场的作用下而有向四周移动的趋势。图31挤压式磁流变体减振器的原理图32建立模型321力学的模型由于结构的处理，取上平面为活动板，下平面为固定板。而平面的中间则是磁流变体，而两个平面则是由两块半径为R0的平板组成，如图3L。假设初始厚度
30、为X0，活动平面向下产生的位移X。所以在这种情况下，阻尼分为四个部分，即由流体惯量力、流体的粘性阻力、由磁流变效应产生的力和初始力。1流体的惯性力2221000DMXFRXXXRXDT1其中的M为流体质量为流体密度错误未找到引用源。为活动板加速度2无磁场的流体粘性阻尼力由以上分析和数据可得229301442003032XFRXX2其中错误未找到引用源。为磁流体在无磁场下的粘度错误未找到引用源。为活动板运动速度3磁流变体效应产生的阻力由公式得其阻力为33004SGN3YXFRXX3其中错误未找到引用源。为磁场引起的磁流变体屈服应力4初始力240043FRP4公式中错误未找到引用源。为初始压力将四
31、部分力相加得该减振器总阻尼力222000DMXFRXXXRXDT5322磁路的相关计算磁流变体和衔铁工作点的选定。衔铁的磁通为AAABA磁流变体的磁通FFFBA，两式中AA，FA则是有效截面积。根据定理，磁通密度为AF。而衔铁的工作点FFAAAABABA6由图32衔铁的BH曲线确定AH15图32衔铁的BH曲线同样，也可以通过图33确定磁流变体的工作点FB、FH。图33磁流变体的BH曲线图34所示的磁路则为减振器的磁路简化示意图。假设衔铁的磁路路径长度为AL，磁隙为0XX。衔铁和磁隙的磁场强度分别为AH、FH。由KIREHOFFS定律可得0AAFNIHLHXX7由于FH比AH大很多两个数量级，而
32、AL与0XX通常相差一个数量级。所以AAHL与0FHXX相比可忽略不计。则有0FNIHXX8图34磁流变体的磁路示意图对于挤压模式下的MR减振器来说，其工作点由于电流的稳定而稳定。所以对衔铁和MR的工作点的判断在该减振器的设计和计算中是要不断进行的。所以要在式中16考虑到是否忽略衔铁的影响。YFH（9）4222320000000010034SGN4233XXFRRXXXRXRNIRPXXXX（10）公式中由试验得到的系数2的指数33小结本章阐述挤压模式下的挤压式磁流变弹性体减振器原理，对模型的建立进行分析，列出可能运用到的公式。简单说明其中参数间的相互影响。174挤压工作模式减振结构的概念设计
33、41磁致效应磁致效应是磁流变技术的基础。在磁场作用下，磁流变弹性体内部颗粒被磁化后，产生相互作用力。在磁流变弹性体受到形变时，这些磁力在其内部形成反向力矩，增强材料抵抗变形的能力，这种能力时随着磁场的变化而变化的，从宏观上，该MRE表现为弹性模量随磁场变化，即磁流变弹性体的刚度随磁场而变化。因此，磁流变弹性体在外加磁场下会产生磁致模量和磁致阻尼。这种现象统称为磁流变弹性体的磁致效应。同时，内部的软磁性颗粒具有较小的剩磁，磁流变弹性体在磁场作用下还具有良好的可逆性。磁流变弹性体隔振器就是利用磁流变弹性体的磁致效应来进行隔振的。42挤压模式磁流变弹性体的工作模式有很多种，可以依据受力方向的不同，外
34、加磁场方向的不同分为不同种。而磁流变效应效果最明显的且研究最多的模式为挤压和剪切。图41挤压模式图41中所示即为挤压模式。在挤压模式下磁流变弹性体的颗粒会沿着外加磁场方向形成链状结构，而外加载荷方向与磁场的方向也是相同的。在此工作模式下的磁流变弹性体隔振器具有非常强的非线性，但由于其结构简单，可以承受较大的载荷，本文所设计的磁流变弹性体隔振器就是基于这一工作模式。43结构设计431方案一参考一些文献后，由图42设计出基本骨架18图42减振器结构示意图通过PROE软件设计出减振器的主体结构，其三维视图如图43图43减振结构三维视图图44减振器爆炸图图45减振结构的剖视图19图中蓝色部分为上下导磁
35、体；绿色部分为磁流变弹性体；黄色部分为盖板；紫色部分为螺母和螺杆，灰色箱体为隔磁外筒。而对应其内部结构和连接结构也如图45所示。大体的设计思想是用硅橡胶将磁流变弹性体固定在上下导磁体之间，并与导磁体一起放置在隔磁的外筒内。而下导磁体与外筒也通过硅橡胶进行固定，上导磁体则通过连接螺栓与被控对象连接。由于上导磁体连接传动结构能带动振动，所以结构较为重要，其结构如图46图46上导磁体的结构示意图432方案二挤压的方式可以是直接施加压力也可以使由旋转而产生的向心力变成压力。方案二基于此原理，设计出如图46。20图47方案二示意图其中1壳体；2线圈；3静止环；4磁流变弹性体；5移动环；6支撑套；7套筒。
36、工作时，套筒在外力作用下沿垂直方向产生位移，移动环跟随套筒移动，与静止环间形成相对挤压表面挤压磁流变弹性体。线圈通以直流电产生磁场，使得磁流变弹性体的粒子发生改变。达到减振结果。44小结本章设计出两种挤压式磁流变弹性体减振器结构设计，并运用PROE和CAD画出模型。简单介绍其工作原理。215有限元分析51有限元分析有限元分析（FEA，FINITEELEMENTANALYSIS）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。本章将对方案一中的磁场进行有限元分析。52分析过程521准备工作首先定
37、义所有物理单元类型为PLANE53，然后定义材料属性，建立4种材料，材料1空气；材料2衔铁；材料3线圈；材料4磁流变弹性体。图51材料定义而磁流变弹性体的材料特性通过输入BH数据，如图5222图52磁流变弹性体由ANSYS分析得BH曲线图，如图53图53BH曲线图以磁场强度H为横坐标，磁通密度B为纵坐标，将铁心内的B所对应H的变化所得到之关系曲线，称为BH曲线，也叫磁化曲线。该曲线图表明磁流变材料的磁性特征。23522建模和分析由已知建立模型如下图54总体模型图55有限元模型考虑到对称性，取模型的二分之一作为分析主体。赋予材料属性，划分网格后可得图55定义线圈和衔铁，并加载电流密度可得其磁力线
38、分布图56磁力线分布图同时得到其磁通密度模值24图57磁通密度模值把二维图扩展成四分之三的三维图图58三维图通过图57和58可以看出，由于磁流变弹性体的相对导磁率比上导磁体由纯铁制成的铁芯的导磁率低，上导磁体所在区域的磁通密度明显强于中间磁流变弹性体所在的中间区域的磁通密度，但在磁流变弹性体中的磁通密度也已大大满足了设计要求从图56可以看出，沿着磁流变弹性体的径向看，从外往里磁通密度依次递增，这25与对磁流变弹性体进行的磁场理论分析一致。通过以上分析，说明磁流变弹性体的磁场利用率比较高，已经足够使磁流变弹性体产生比较明显的磁致效应，能够对磁流变弹性体的刚度进行控制，从而达到良好的隔振效果。26
39、6总结磁流变MAGNETORHEOLOGICAL,MR材料可在外部磁场作用下性能会发生改变从而表现出不同的特性。由于其可逆性好、响应快、和可控性等特点，近年来被运用在在汽车和振动控制等多个领域。磁流变技术是一门新型技术，其应用研究是当今智能材料与结构研究领域的前沿课题之一，在航天、航空、流体传动与控制、建筑、车辆减振器等领域拥有的巨大应用潜力。虽然它还不成熟，但其未来工程应用前景和经济效益都是十分乐观的。本章对上面的工作做一个总结，对磁流变材料的研究工作做一个展望。61全文工作本文主要研究磁流变弹性体在挤压模式下的减振机构进行设计。主要从以下内容着手1阐述了磁流变材料中的种类和它们的区别，并简
40、要说明了国内外对磁流变液和磁流变弹性体的研究进展和现状。2简要概述了磁流变弹性体等一些相关概念，初步了解减振结构的原理。3利用PROE和CAD对磁流变弹性体隔振器的结构进行了设计，画出其结构图，解释说明。4流变弹性体隔振器的有限元仿真分析利用ANSYS对磁流变弹性体隔振器的静态磁场进行分析。62展望因为具有优异的可变性能磁流变技术因而在工程应用中得到较好的发展，但也存在一些需要注意的事项1研制具有高磁流变效应、优良综合性能的磁流变弹性体是必要而且迫切的工作。2目前关于磁流变弹性体的研究有很多，但是各自的目的和方法都有很大的差异，所以结果也没有可比性。其中可能忽略对磁流变弹性体中一些重要影响因素
41、，所以得出的结果会存在一些缺陷。因此不论是对磁流变弹性体的理论还是模型的探索还需要进一步的研究。27参考文献1陈琳，龚兴龙碳黑对磁敏高弹体力学性能的影响J功能材料，2007年增刊38卷1251一12542邓华夏，龚兴龙，张培强，张先舟，朱应顺中国，刚度和阻尼均可控的减震器P专利号200520070319申请日200504013龚兴龙，邓华夏，李剑锋，陈琳，张培强磁流变弹性体及其半主动吸振技术J中国科学技术大学学报2007,37104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，200年8月，第22卷34期4294345汪建晓，王世旺，孟光挤压式磁流变
42、弹性体阻尼器一转了系统的振动特性试验J航空学报2008年1月第29卷第1期91946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，2006201033247LCDAVISMODELOFMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSJJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,1999,85633488YSHEN,MFGOLNARAGHI,ANDGRHEPPLEREXPERIMENTALRESEARCHANDMODELINGOFMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSJJOURNALOFINTELLIGENTMATERIALSYSTEM
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44、RYD,CLARKSEAMUSM,FORDMOTORCOCONTROLLABLESTIFFNESSCOMPONENTSBASEDONMAGNETORHEOLOGICALELASTOMERSCPROCEEDINGSOFSPIE,2000,398541812GANS,BJDMAGNETORHEOLOGYOFANINVERSEFERROFLUID2000,UNIVERSITYOFTWENTETWENTEP13513GANS,BJD,ETAL,PREPARATIONANDMAGNETIZATIONOFSILICAMAGNETICINVERSEFERROFLUIDSJOURNALOFMAGNETISMA
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47、ENSIONSANDTHEIRAPPLICATIONS1997JAPAN22BOLTER,RANDHJANOCHADESIGNRULESFORMRFLUIDACTUATORSINDIFFERENTWORKINGMODESINSMARTSTRUCTURESANDMATERIALS1997PASSIVEDAMPINGANDISOLATION1997SANDIEGO23WWWLORDCOM24KORDONSKYWI,ETALMAGNETORHEOLOGICALVALVEANDDEVICESINCORPORATINGMAGNETORHEOLOGICALELEMENTS,USPATENT5,353839
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