1、 1 毕业论文开题报告 机械设计制造及其自动化 磁流变弹性体剪切工作模式减振结构的设计 1 选题的背景与意义 针对磁流变液有易沉降，稳定性差，颗粒易磨损等缺点，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。 磁流变弹性体力学、电学诸性能将随所加磁场强度变化而变化。由于它兼有磁流变材料和弹性体的优点，响应快，可逆性好，可控能力强等又克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点，因而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。它可以广泛应用于机械传动 ，机器人和智能执行机构，尤其是在减振方面的应用等领域，完成一些传统机械结构
2、难以实现的功能。 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题 2.1 磁流变弹性体材料特性及已有减振应用方法。 2.2 建立磁流变弹性体减振系统理论模型。 2.3 研究提出剪切工作模式下基于磁流变弹性体的减振结构设计方案 。 2.4 完成剪切模式下减振结构的零件图以及装配图的任务，并进行必要的设计计算。 3 研究的方法与技术路线 如图所示 4 研究的总体安排与进度 2010.12.05 至 2010.12.15 阅读文献，总结分析。 2010.12.15 至 2010.12.25 查阅国内外文献，分析总结磁流变弹性体减振结构设计方案，完成文献综述与开题报告。 2010.12.25 至 2010.03
3、.15 研究剪切工作模式下基于磁流变弹性体的减振结构设计方案，并完成外文翻译工作。 2 2010.03.15 至 2010.04.15完成减振结构装配图及部分零件图，并进行必要的设计计算。 2010.04.15 至 2010.05.01 撰写论文准备答辩 。 图 参考文献 1 Shiga, T., Okada, A., Kurauchi, T. Magnetro-viscoelastic Behavior of Composite Gels. Journal of Applied Polymer Science, 1995, 58:787-792. 2 Jolly, M.R., Carlson
4、, J.D., Munoz, B.C., et al. The Magnetoviscoelastic Response of Elastomer Composites Consisting of Ferrous Particles Embedded in a PolymeMatrix. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 1996, 7: 613-622. 3 J.M.Ginder, M.E.Nichols, et al. Magnetorheological Elastomers: Properties and A
5、pplications. Proceedings of SPIE (1999), 3675. pp.131-138. 学习磁流变弹性体材料的特性和已有的减振方法 对磁流变弹性体已有减振方法进行分析与总结 设计建立磁流变弹性体减振结构方案 总体方案设计与计算 总体方案的验证 完成剪切模式下减振结构的零件图、装配图的绘制 归纳总结研究结果，撰写总结报告 3 4 L.C.Davis. Model of Magnetorheological Elastomers. Journal of Applied Physics, 85(6), 1999. pp.3348-3351. 5 Bossis, G.,
6、Abbo, C. Electroactive and Electrostructured Elastomers. International Journal of Modern Physics B, 2001, 15(6&7):564-573. 6 Bednarek,S. The Giant Magnetostriction in Ferromagnetic Composites within an Elastomer. Applied Physics A, 1999, 68:63-67. 7 S.A.Demchuk, V.A.Kuzmin. Viscoelastic Properties o
7、f Magnetorheological Elastomers in the Regime of Dynamic Deformation. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 75(2), 2002. pp.396-400. 8 Lokander, M., .Stenberg, B. Performance of isotropic magnetorheological rubber materials. Polymer Testing, 2003, (22): 245-251. 9 M.Lokander, B.Stenberg.
8、 Improving the Magnetorheological Effect in Isotropic Magnetorheoligcal Rubber Materials. Polymer Testing 22, 2003. pp.677-680. 10 Liliana Borcea , Oscar Bruno. On the Mgneto-elastic Poperties of Elastomerferromagnet Composites. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49, 2001. pp.2877-2919.
9、 11 Tetsu Mitsumata, Kenta Furukawa, Etienne Juliac, Kenji Iwakura, and Kiyohito Koyama, Compressive Modulus of Ferrite Containning Polymer Gels, International Journal of Modern Physics B, Vol. 16, Nos. 17 & 18 (2002)2419-2425 12 Malcolm J.Wilson, Alan Fuchs, Faramarz Gordannejad Development and Cha
10、racterization of Magnetorheological Polymer Gels, Journal of Applied Polymer Science, Vol.84,2733-2742 (2002) 13 李剑锋，龚兴龙，张培强等，硅橡胶基磁流变弹性体的研制 J.功能材料，2006,6(37):1005-1012. 14 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 ， 2004,34(4):456-463. 15 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，2004,19(1):1-5. 16 龚兴龙，李
11、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，2006,5(37):733-735. 17 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，4 2006,5(37):790-792. 5 毕业论文文献综述 机械设计制造及其自动化 磁流变弹性体剪切工作模式减振结构的设计 1 绪论 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在剪切工作模式下的减振结构设计，减振的
12、主要方法分为隔振与吸振两种。 2 磁流变材料 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。磁流变液是由低磁导率的母液 (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
13、新型 磁控智能材料 磁流变弹性体。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。 3 磁流变弹性体的研究历史与现状 6 磁流变弹性体最早出现在 1995 年， T.Shiga 等人 1尝试使用硅树脂和铁粉混合制备出
14、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 Jolly Carlson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 0.8T 时磁流变弹性体的剪切模量比无磁场时初始值增加约 40%2。 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 3,4,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 (b
15、ushing)以及可调节的吸振器 (tuned vibration absorber)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 Demchuk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 0.8T
16、时剪切模量的相对增加量可达 20%8,9。 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 Tetsu Mitsumata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 Malcolm J.Wilson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。 目前在国内外文献中出现的对磁流变弹性体的研究主要处于理论和实验阶段，磁流变弹性体的相关应用研究也更处于起步阶
17、段。国内主要有中国科技大学、上海交通大学、重庆大学、华南理工大学、佛山学院、宁波大学、湖南工程学院等院校开始了对磁流变弹性体的研究。 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7 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致准静态模量方面，建立并初步完善了
18、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 14。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。此外利用传统的橡胶测试手段，对磁流变弹性体的强度、硬度、抗磨耗性、抗疲劳性和回弹性等多项机械性能都建立了相应的测量系统。这一系列测试系统的建立，为磁流变弹性体的性能测试提供了较为全面的评估体系，为磁流变弹性体的性能突破和实用化研究打下了基础 16。并且已经利用磁流变弹性体作为智能刚度单元初步研制
19、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，获得了总装备部的支持，将应用于潜艇的隐身领域 17。 4 磁流变体今后的研究方向 磁流变体的研究才刚刚开始，但是磁流变弹性体已显示出它巨大的应用潜力。磁流变弹性体在汽车减振、减噪都能够替代传统的器件，如悬挂系统、发动机架、轴衬、吸振器等。本课题研究的就是磁流变弹性在剪切模式下的减震结构设计，主要是利用磁流变体的独特性质来达到隔振或吸振的作用。 传统的动力吸振一般由振子、弹性元件和阻尼元件组成。由于它具有结构简单，能有效抑制频率范围变化较小的结构与设备的振 动的优点，因此在工程实践中得以广泛的应用。实际的
20、振源往往复杂而频率变化较大，并且随着科学技术的发展，人们对振动环境及结构设备的振动特性提出越来越高的要求，但传统的被动式吸力吸振器的有效吸振带宽较窄，一般只针对振动系统的一个频率，这就大大限制了动力吸振器的应用范围。因此，研究新型吸振技术非常重要。 近年来主动式动力吸振技术发展迅速，主动式吸振技术又分为全主动式和半主动式。全主动式是在传统被动吸振器上引入主动元件提供主动力，直接作用于减振对象，能进行频率跟踪控制，减振频带宽，减振效果好，但需要的附加能量8 多。半主 动式吸振器一般通过改变吸振器的刚度等参数，使其有效吸振频率跟踪减振对象的外干扰力频率，吸振效果接近全主动式的吸振效果，而且需要控制
21、能量小，易于实现，引起了大家的关注，这也将是磁流变弹性体的研究方向。 参考文献 18 Shiga, T., Okada, A., Kurauchi, T. Magnetro-viscoelastic Behavior of Composite Gels. Journal of Applied Polymer Science, 1995, 58:787-792. 19 Jolly, M.R., Carlson, J.D., Munoz, B.C., et al. The Magnetoviscoelastic Response of Elastomer Composites Consisting
22、 of Ferrous Particles Embedded in a PolymeMatrix. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 1996, 7: 613-622. 20 J.M.Ginder, M.E.Nichols, et al. Magnetorheological Elastomers: Properties and Applications. Proceedings of SPIE (1999), 3675. pp.131-138. 21 L.C.Davis. Model of Magnetorheol
23、ogical Elastomers. Journal of Applied Physics, 85(6), 1999. pp.3348-3351. 22 Bossis, G., Abbo, C. Electroactive and Electrostructured Elastomers. International Journal of Modern Physics B, 2001, 15(6&7):564-573. 23 Bednarek,S. The Giant Magnetostriction in Ferromagnetic Composites within an Elastome
24、r. Applied Physics A, 1999, 68:63-67. 24 S.A.Demchuk, V.A.Kuzmin. Viscoelastic Properties of Magnetorheological Elastomers in the Regime of Dynamic Deformation. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 75(2), 2002. pp.396-400. 25 Lokander, M., .Stenberg, B. Performance of isotropic magnetor
25、heological rubber materials. Polymer Testing, 2003, (22): 245-251. 26 M.Lokander, B.Stenberg. Improving the Magnetorheological Effect in Isotropic Magnetorheoligcal Rubber Materials. Polymer Testing 22, 2003. pp.677-680. 27 Liliana Borcea , Oscar Bruno. On the Mgneto-elastic Poperties of Elastomerfe
26、rromagnet Composites. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49, 2001. pp.2877-2919. 28 Tetsu Mitsumata, Kenta Furukawa, Etienne Juliac, Kenji Iwakura, and Kiyohito Koyama, Compressive Modulus of Ferrite Containning Polymer Gels, International Journal of Modern Physics B, Vol. 16, Nos. 17 &
27、 18 (2002)2419-2425 9 29 Malcolm J.Wilson, Alan Fuchs, Faramarz Gordannejad Development and Characterization of Magnetorheological Polymer Gels, Journal of Applied Polymer Science, Vol.84,2733-2742 (2002) 30 李剑锋，龚兴龙，张培强等， 硅橡胶基磁流变弹性体的研制 J.功能材料，2006,6(37):1005-1012. 31 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
28、国科学技术大学学报 ， 2004,34(4):456-463. 32 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，2004,19(1):1-5. 33 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，2006,5(37):733-735. 34 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，2006,5(37):790-792. 10 本科毕业论文 （ 20 届） 磁流变弹性体剪切工作模式减振结构的设计 摘 要 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 ，其 作为一种新型的智能材料，越来越多的引起学术界的关注。
