（生物医学工程专业论文）一种车用磁流变减振器的动力学研究.pdf

d y n a m i c ss t u d yo nas o r to fm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s h o c ka b s o r b e rf o rv e h i c l e ( a b s t r a c t ) m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i ds h o c ka b s o r b e ri sak i n do fs h o c ka b s o r b e rd e v i c e ， w h o s ed a m p i n gm e d i u mi sm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) w i t ht h ev i r t u eo fl a r g e f o r c e ，s m a l lv o l u m e ，r a p i dr e s p o n s e ，s i m p l es t r u c t u r ea n dc o n t i n u o u sd a m p i n g ，m r f s h o c ka b s o r b e rh a sg r e a tp o t e n t i a li ns h o c ka b s o r p t i o nc o n t r o lf i e l d m r fi sas o r to f n e wi n t e l l i g e n tm a t e r i a l sw h o s er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc h a n g er a p i d l ya n dc a nb e c o n t r o l l e de a s i l yi nt h e p r e s e n c eo fa na p p l i e dm a g n e t i cf i e l d b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c s ，m r fh a sb e e np a i dw i l d l ya t t e n t i o nt oi nm a n yf i e l d se s p e c i a l l yi n v e h i c l ea n de n g i n e e r i n gs h o c ka b s o r p t i o nc o n t r 0 1 f i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t i t u t i o n ，t h em e c h a n i s ma n dt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c ho fm r fa r ei n t r o d u c e d d a m p i n gp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n a lf o r m u l ai s c o n c l u d e d ，w h i c hr e v e a l st h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd a m p i n gf o r c ea n d w o r k i n gp r e s s u r e ，p i s t o nm o v e m e n ts p e e da n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i tp r o v i d e s t h e o r yf o u n d a t i o n si nu s eo fv e h i c l es h o c ka b s o r p t i o nc o n t r o lf o rt h i ss o r to fs h o c k a b s o r b e r s e c o n d l y ，t h em r fs h o c ka b s o r b e rd e s i g n e df o rt h em e d i u m s i z e dw o u n d e d t r a n s p o r tv e h i c l ei st e s t e d 1 1 1 et e s tr e s u l ts h o w st h ed a m p i n gc a p a b i l i t yo ft h es h o c k a b s o r b e ri sg o o da n dt h es h o c ka b s o r b e rw o r k ss t a b l e t h ee f f e c tr u l e si nd a m p i n g c a p a b i l i t ya b o u tt h ev a r i e t yo fs w i n g 丘e q u e n c ya n dp r e s s u r ea r ea c q u i r e d 1 1 1 e e q u i v a l e n tl i n e a rd a m p i n ga n ds t i f f n e s sa r ew o r k e do u ta c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t t h ep a r a m e t e r so fb i n g h a mm o d e l ，n o n l i n e a rb i v i s c o u sm o d e l ，n o n l i n e a rh y s t e r e t i c b i v i s c o u sm o d e la n dm o d i f i e dn o n l i n e a rh y s t e r e t i cm o d e la r er e c o g n i z e da n df o u r i n d e x e st oe v a l u a t em o d e lf i a i n ge x t e n ta r ee s t a b l i s h e d a sar e s u l t ，m o d i f i e d n o n l i n e a rh y s t e r e t i cm o d e lh a sb e s tf i t t i n gp r e c i s i o n t h e nt h ee f f e c tr o l e so fd a m p i n g f o r c ec a l c u l a t i o nm o d e lp a r a m e t e ro fm r ff l u i ds h o c ka b s o r b e ra b o u tv a r i o u st e s t c o n d i t i o aa r ea n a l y z e d i nt h ee n d ，t h eb a s ei s o l a t i o ns i m u l a t i o no fm r fs h o c ka b s o r b e ri sa n a l y z e db y s i m u l i n k t h er e s u l ts h o w st h a tw h e ns i m p l eh a r m o n i cv i b r a t i o ns i g n a li si n p u t t e d d a m p i n gf u n c t i o no fm r f s h o c ka b s o r b e ri so b v i o u sw h i c hc o u l dr e d u c et h er e s p o n s e p e a kv a l u eo fr e s o n a n c ev i b r a t i o ni nh i g hd e g r e e w h e nt h ei n p u tp r e s s u r ei sz e r o ， t r a n s f e rr a t ev a l u ei nt h er e s p o n s ep e a kv a l u eo fr e s o n a n c ev i b r a t i o ni s1 19 i ta a n e n s u r ew h e nt h ei n p u tp r e s s u r ei si nt r o u b l e ，m r fs h o c ka b s o r b e rc o u l dh a v ew e l l v i b r a t i o na b s o r p t i o ne f f e c t t h et r a n s f e rr a t er e d u c e sw i t ht h ei n p u t p r e s s u r e i n c r e a s i n g t h em i n i m u mt r a n s f e rr a t ev a l u ei nt h er e s p o n s ep e a kv a l u eo fr e s o n a n c e v i b r a t i o ni s1 0 5 t h er a t i oo ft h ea c c e l e r a t i o nr o o t - m e a n - s q u a r ev a l u eo fv i b r a t i o n r e s p o n s et o t h a to fr a n d o ms i g n a i n p u ti su s e da se v a l u a t i o ni n d e xo fv i b r a t i o n a b s o r p t i o ne f f e c t i ts h o w sv i b r a t i o na b s o r p t i o ne f f i c i e n c yi sb e t w e e n0 2a n d0 3 k e y w o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a l ，s h o c ka b s o r b e r , m o d e l i n g ，m a t l a b s i m u l i n k ， s i m u l a t i o n 1 1 1 军事医学科学院研究生学位论文独创性声明 秉承军事医学科学院严谨的学风和科研作风，本人声明所呈交的 学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得至奎匿茎銎鲎堕或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签字：j 立厶垒 签字日期：生! 年l 月2 日 军事医学科学院研究生学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解芏奎堕茎盘茎堕有关保留、使用学位 论文的规定。特授权芏圭墨堂盘鲎瞳可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编以供查阅和借阅。同意将本学位论文的复印件和磁盘送 交国家有关部门和机构。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签字：鱼垫生!签字日期：! ! !年王月二生日 指导教师签字：啦 签字日期：牛年月翌日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 伤员运输车是指配装有急救器材、药品和担架等设施，供陆地后送伤病员并 能在后送途中实施急救处理的卫生装备。它能有效地缩短伤病员从负伤患病到早 期专科治疗的时间，在历次战争卫勤保障中都发挥了重要作用。在未来战争中， 随着战争环境和伤病员伤情的变化，伤员运输车作为伤病员后送和途中紧急救治 的工具，其作用和地位仍然是突出和重要的。 鉴于伤员后送车辆的特殊用途，在研制和生产过程中，应该重视提高舒适性， 改善伤员的后送条件。其中，提高车辆的减振性是非常重要的一个环节。它要求 车辆在行驶时能尽量减少路面不平度所造成的振动和冲击，不致因为振动再度增 加伤员的痛苦和使伤情恶化。传统的汽车被动减振系统是按某种特定的路面状况 和车辆运行状态进行设计的，其减振器的阻尼特性是不可调的，当路面状况和车 辆运行状态与设计条件不同时，固定阻尼特性的减振系统的减振效果将降低。为 此，在设计车内担架支撑装置时，要争取较好的缓冲减振效果。 1 2 减振技术的发展与应用 1 2 1 减振技术的发展 在现代科学技术水平下，对于绝大多数振动，还不能完全消除。因此减小由 于各种振源引起的有害振动的唯一出路，是采取有效的振动防护，也就是人们通 常所说的振动控制措施。为了达到减少或免受振动环境影响的目的，可以应用工 程力学原理，适当地改变系统的质量、刚度和阻尼特性，从而对系统的振动进行 控制。振动控制可以分为被动控制、主动控制和半主动控制。被动控制是指无外 加能源的控制，其控制力来源于控制装置本身的运动而被动产生的，被动控制装 置造价低廉、容易实现、应用广泛，其主要缺点是对振动的频域特性非常敏感， 当振动超过设计要求时，它的减振效果就非常差。主动控制是有外加能源的控制， 由控制系统通过外部的能量来控制或改变系统的运动，主动控制系统是由传感 器、运算器和作动器三部分组成，与被动控制相比，它适应环境能力强，控制效 果好，特别是对低频和宽频带振动控制效果显著，但是它所需外加能源较大，加 第一章绪论 之控制装置的控制算法比较复杂，因此应用程度少于其它两种技术。半主动控制 是指有少量外加能源的控制，其控制力虽由控制装置自身的运动而被动产生，但 在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调整自身的参数，从而起到调节控 制力的作用。半主动控制介于主动控制和被动控制之间，控制精度较高，造价较 低，并且不需要较大的能量，因此具有广阔的应用和发展前景。 1 2 2 传统减振器的分类 减振器的类型按工作材料可分为橡胶减振器、弹簧减振器、流体减振器等。 ( 1 ) 橡胶减振器 橡胶减振器的优点在于可随意选择橡胶的结构形态，调整橡胶配方组分来控 制硬度，有适当的阻尼，有利于越过共振区，衰减高频振动和噪音。橡胶减振器 的缺点是工作温度不能超过一3 0 c 8 0 c 、不耐低高温、不耐磨、不耐介质( 油、 海水等) 、易老化。 ( 2 ) 弹簧减振器 弹簧减振器的力学性能稳定，可准确设计出不同刚度的弹簧以获得自振频率 不同的减振器，因而力学应用范围比橡胶减振器广泛。弹簧工作可靠，耐高温， 耐严寒，耐油脂，不老化。弹簧对于冲击载荷有很好的缓冲性能。但弹簧对于振 动的阻尼作用较小，不如橡胶衰减振动迅速。且当弹簧疲劳断裂时，尖锐的断1 ：3 易对周围部件造成损伤。 ( 3 ) 流体减振器 流体减振器是利用流体的粘性来起阻尼作用，可分为液体减振器和气体减振 器两种。液体减振器通常用油类作介质，适用于载荷较大时的减振系统；气体减 振器一般用空气作介质，适用于载荷较小时的减振系统。流体减振器要求介质有 宽广的工作温度，适当稳定的粘度，较高的沸点，较低的凝固点，对会属、密封 材料无害。流体减振器故障的主要原因是流体的泄露，所以对流体减振器的介质 属性和密封性能都要求较高。 1 2 3 智能材料及耗能减振技术 智能材料是一种同时具有感知和驱动功能的新型材料，如电流变液，磁流交 液，光纤材料，压电材料，电致伸缩材料，磁致伸缩材料，形状记忆合会等。采 用智能驱动材料不仅可以制作被动减振装置，而且还可以作为主动控制的驱动装 置“。 ( 1 ) 形状记忆合金 第一章绪论 形状记忆效应是指材料在高温下定形后冷却至低温( 或室温) ，并施加变形使 其存在残余变形，然后加热到一定温度时仍然恢复到变形前原始形状的能力。这 种只能记住高温或低温状态形状的效应称为单程形状已忆。如果材料具有重复记 住高低温两种状态形状的能力，则称为双程形状汜忆。形状记忆合金与传统材料 的区别是它具有高阻尼和大变形超弹性特性，能够重复屈服而不产生永久变形， 因而具有很好的耗i i i i 力。迄今为止己经发现具有形状记忆效应的合会数十种， 其中性能好，有实用价值的是n i t i 和c u z n a 1 两大类合会。形状记忆合会 较适合于在低频和大变形作用范围条件下使用，但因受热传导的限制，温度是逐 渐上升的，所以响应慢。 ( 2 ) 压电材料 当在压电材料两表面施加电压时，压电材料内部的诈负电荷就会在：5 , t q j n 电场 作用下产生相对位移，从而导致压电材料发生机械变形，这种现象称之为负压电 效应。压电式减振器就是利用压电材料的逆压电效应，通过施加外部电场，将电 能转换成机械能的装置。常用的压电材料有压电晶体，压电陶瓷和压电聚合物。 压电陶瓷与压电晶体相比，具有容易制备、可制成任意形状和极化方向的产品、 耐热、耐湿等优点，因此应用更加广泛。压电聚合物与压电陶瓷相比，柔软、耐 冲击性好。压电材料制成的减振器响应快、适应的频率范围广、对温度变化不敏 感。但压电材料位移量较小，约为几个微米，并且要求的驱动电压较高，约i o o v 3 0 0 v 。 ( 3 ) 磁致伸缩材料 在磁场中磁化状态改变时引起的铁磁和亚铁磁材料产生尺寸或体积微小变 化的现象称为磁致伸缩现象。磁致伸缩现象在稀土以及稀土一铁化合物中广泛存 在，但它们在常温下的磁致伸缩量小，应用的价值不是很大。直到大伸缩材料 t e r f e n o l d 研制成功，才开始磁致伸缩材料的应用研究。磁致伸缩材料与常用 的压电材料、形状记忆合金相比，具有响应速度快、应变大、使用频带宽、驱动 电压低等优点。但磁致伸缩材料耗能要比压电材料大，并且存在磁滞问题。磁致 伸缩材料作为主动降噪减振系统在汽车、飞机和精密机床中已得到应用。 ( 4 ) 电磁流变液 电流变液和磁流变液均是悬浮体系，在外加电场或磁场的作用下，它们的黏 性、塑性和弹性等流变性能会发生显著的可逆变化，且外加场强超过临界值后， 电磁流交液会在几个毫秒内从液态变为固态，且过程可逆。以电磁流变液作为介 质的电磁流变减振器响应速度快、应力大、能耗低且易于控制，在减振控制领域 得到越来越广泛的应用。 第一章绪论 1 3 磁流变减振器的特点及应用现状 1 3 1 磁流变减振器的特点 磁流变减振器“h 7 1 是一种新兴的智能减振产品，它以磁流变液作为阻尼介 质，是根据磁流变液在磁场作用下具有可控的高屈服应力从而使阻尼力增大来工 作的。 磁流变减振器以磁流变液作为阻尼介质具有以下优点：控制应力范围大。 在磁场作用下，控制应力的范围因磁流变液屈服强度的提高而增大；无级可 调。利用磁流交效应可产生连续变化的剪切屈服应力，因此磁流变液减振器阻尼 力无级可调；响应速度快。在外加磁场作用下，磁流变液可于瞬间( 干分之一 秒左右) 由液态转变成类固态，因此磁流变液减振器的减振效果迅速，振幅衰减 快；工作温度范围宽。可以在一5 0 c 1 4 0 c 内工作，而屈服强度只有微小改 变；减振过程中，磁流变液固一液转化过程完全可逆。不存在老化、疲劳现象； 杂质的不敏感性。磁流变液对制造和使用中产生的杂质不敏感，因此磁流变 液减振器中可以选择使用多种添加剂( 如表面活化剂、分散剂、摩擦调节剂、防 磨剂等) 来提高稳定性、密封性和轴承寿命等；低电力要求。磁流变液控制 器可以直接通过普通低伏电源( 一般的蓄电池) 供电，避免高电压带来的危险和 不便。 1 3 2 磁流变减振器的应用现状 磁流变减振器在汽车制造业、机械制造行业、武器系统、直升飞机、土木工 程结构等领域有着广泛应用。 ( 1 ) 汽车悬架系统 美国l o r d 公司开发的流动模式汽车座椅悬架减振器采用了单出杆活塞缸式 结构，已用于大型载重汽车司机座椅半主动减振系统，提高了汽车的安全性和平 顺性。这种减振器活塞上分布有环形阻尼7 l ，电磁线圈绕制在活塞上，电流通过 中空活塞杆中的导线送入电磁铁。在直流电压下，线圈产生电流，在活塞头部的 流孔周围产生磁场，使流通该孔的磁流变液逐步变粘直至固化，从而控制磁流变 液的流动，进而改变了阻尼力的大小。该装置最大功率小于1 0 w ，但产生的阻力 可以超过3 0 0 0 n ，而且在较大温度范围内都比较稳定，一4 0 。c 1 5 0 变化小于 1 0 ，响应时间为8 m s 。这种磁流变液减振器可以直接替代普通减振器( 图1 - 1 ) ， 使卡车座位的振幅减小5 0 到2 0 ，大大减少卡车司机在矿山等崎岖道路上驾车 时的危险性。 第一章绪论 蓄能器 线圈 磁流变 夜密封 图i l 汽车悬架磁流变减振器 通用汽车公司在2 0 0 6 款凯迪拉克s r x 上使用了德尔福公司生产的磁流变减 振器( 图卜2 ) 。该磁流变减振器( 通用汽车称之为“磁行车控制系统”) 与德 尔福的电子稳定控制系统、紧急刹车辅助器、四轮驱动牵引控制系统( 可选择的) 以及自适应式巡航控制制动系统( 可选择的) 集成在一起，可以帮助车主更好地 驾驭汽车。磁流变减振器半主动悬架控制系统利用磁流变效应，以来自监测车身 和车轮运动传感器的输入信息为基础，对路况和驾驶环境做出实时响应，以经济、 可靠的部件结构提供快速、平顺、连续可变的阻尼力，减少了车身振动并增加了 轮胎与各种路面的附着力。与传统的减振系统不同，磁流变减振器中没有细小的 阀门结构，也不是通过液体的流动阻力达到减振效果。由于车轮控制得到改善， 提升了安全性和可靠性；通过控制车身运动，提高驾驶平顺性，使操作更精确、 反应更迅速；在刹车和加速过程中减少乘员“前冲”和“后仰”；在车辆高速行 驶中突然变向时，提供更好的防侧翻控制：减小了路面反冲力，使驾驶更为安静、 精确。 图l - 2 德尔福公司生产的磁流变减振器 ( 2 ) 履带车辆通用底盘减振系统 履带车辆通用底盘减振系统传统上采用弹簧、扭力轴以及液压或摩擦式减振 器相结合的机械调节式悬挂系统，其反应速度慢、适用范围窄、悬挂参数不可控 第一章绪论 制。以磁流变液减振器作为智能驱动器的履带车辆主动悬挂系统采用传感装置实 时感知路面激励和采用超声波或光电传感元件探测未来路面的信息，对这些信号 和其它干扰信号进行处理和振动分析，并把有用信号传递给单片机，由单片机处 理信息，控制通过流过磁芯的电流来控制磁场强度，进而改变磁流变液的粘滞系 数，改变阻尼力，达到缓和冲击，减小振动的目的。1 。 ( 3 ) 建筑结构减振器 l o r d 公司研制开发了基于混合工作模式( 剪切模式和流动模式) 的建筑结构 抗振的磁流变减振器( 图卜3 ) 。这种减振驱动器构造简单，外缸同时是磁路的 一部分，在活塞外径和内腔之间的坏状空间是有效的液体流动问隙。活塞内部的 线圈在电流的作用下，在缸体与活塞间的间隙内产生沿活塞半径的径向磁场。磁 流变减振器中的活塞和缸体作相对运动时，活塞挤压液体流过缸体与活塞间的间 隙；液体在磁场的作用下由牛顿流体变为粘塑性的半固态，使流体的流动阻力增 加；通过调整线圈中的电流强度来调整磁场强度，从而改变流体的阻力，这样就 形成了一种可调的半主动控制装置。该减振器采用双出杆活塞缸结构，一方面可 省去活塞杆体积补偿器；另一方面活塞通过活塞杆支撑在缸体两端，活塞的稳定 性好，可用于制造大阻尼力的减振器。适合于高层建筑、电视塔、大跨网架和大 跨桥梁等土木结构地震的半主动控制n “。 图卜3 建筑结构磁流变减振器 ( 4 ) 工业场合用减振器 l o r d 公司设计了一种小型的磁流变液减振器( 图1 - 4 ) ，这种减振器可用于 各种工业场合的实时主动减振控制，也可用于锁紧装置。该减振器采用挤压模式， 活塞为圆盘，电磁线圈绕制在外筒上，由于行程较小( 币负3 m m ) ，可采用有弹性 的橡胶膜片进行密封，不需考虑动力密封和滑动密封。由于减振器被全部密封， 因而可采用水基磁流变体，这样便避免了油基( 碳氢化合物) 磁流变液与橡胶的 化学作用。在减振器的外面装上弹簧元件便可制成可调阻尼的发动机机座，为抑 制发动机引起机械设备振动提供了新的途径“”。 6 第一章绪论 密封圈 活塞 钱固磁流娈稂 图卜4 挤压模式磁流变液减振器 ( 5 ) 直升飞机旋翼稳定系统 在某些特定状况( 如空气与地面共振) 下旋翼系统需要较大阻尼，而在另一些 情况( 如高速向前飞行) 下则只需要较小阻尼。磁流变液减振器阻尼力的可控性使 它成为替代传统的旋翼系统被动式减振器的最佳对象。m a r a t h e 将剪切模式磁流 变减振器的b i n g h a m 流体模型与旋翼的空气力学模型结合在一起形成一个系统 模型，用开关控制和线性反馈控制两种方案理论分析了减振器的控制效果，发现 磁流变减振器在地面共振稳定性控制方面用开关控制方案能提供充足的阻尼；而 在向前飞行时如果空气动力阻尼足够，可使用开关控制；如果需要附加的阻尼， 就需要使用线性反馈控制“”。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要对一种应用于伤员运输车担架支撑系统的磁流变减振器动力学性 能进行了理论研究、实验分析和评价，内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究磁流变减振器的力学特性，建立磁流变减振器阻尼力计算的理论 模型，分析磁流变减振器的阻尼力和减振器几何尺寸、运动参数之间的关系，对 结构设计和改进提供理论指导； ( 2 ) 通过磁流变减振器的实验测试，对减振器的工作性能进行评价，分析 振动状态和输入电压对减振器阻尼特性的影响规律； ( 3 ) 分析一些常用的磁流变减振器的阻尼力模型，比较各个模型的优缺点， 通过实验数据对模型参数进行拟合，并对各阻尼力模型拟合效果进行对比分析； ( 4 ) 对应用于伤员运输车担架支撑装置的磁流变减振器的减振效果进行动 力学仿真分析。 第一二章磁流变液及其磁流变效应 第二章磁流变液及其磁流变效应 2 1 磁流变液的研究与发展 磁流变液( m a g n e t o r h e l o g i c a lf l u i d ，简称m r f ) 最早是由美国国家标准 局r a b i n o w ( 1 9 4 8 ) 发明和研制的“。而美国学者w i n s l o w 发明电流变材料的同 时也提出了磁流变材料的概念。它主要是由非导磁性液体和均匀分散于其中的高 导磁率、低磁滞性的微小软磁性颗粒组成的。在没有磁场作用的状态下，磁流变 液是一种粘度较低的牛顿流体，处于强磁场的作用下时可在短时间内由液体变成 具有一定剪切屈服强度的粘塑性( b i n g h a m ) 体。 1 9 4 7 年，英国的w i n s l o w 发现，将淀粉、明胶等分散于绝缘油中得到的悬 浮体系，在强电场作用下可以流变为类固体的状态，从而宣告了电流变液的诞生。 随后人们对电流变材料及其应用的研究给予了极大的关注，电流变学得到了飞速 的发展，应用各种不同母液和悬浮微粒的电流变材料相继研究成功。随后人们又 研究成功了一些电流变器件。进入二十世纪八十年代初期，随着智能材料和结构 系统的问世，电流变学的研究取得了可喜的成就，涌现出不少有关电流变材料和 电流变器件的专利并对一些应用领域研制了专用的电流变器件。然而，从五十年 代到八十年代期间，由于没有认识到磁流变液的剪切应力的潜在性以及存在悬浮 性、腐蚀性等问题，磁流变技术一直处于停滞不前的状态，很少引起人们对此领 域的关注。直到八十年代末期各国学者相继发现电流变材料的剪切应力小、要求 的电源电压较高等一系列技术问题难以解决，因而人们又将注意力转移到磁流变 学的研究上来“1 5 o 白俄罗斯学者s h u l m a n 和k o r d o n s k y 在磁流变材料研究中取 得较大进展“”。随后美国l o r d 公司、f o r d 汽车公司、d e l p h i 公司和德国的 b a s f 公司都开展了磁流变材料的研究工作并取得了可喜的进展。各国学者的研 究工作使人们进一步了解磁流变材料的流变机理和宏观特性为磁流变学的研究 奠定了坚实的基础。 磁流变液与电流变液性能虽然十分相似”( 见表2 1 ) ，但相比电流变液而 言，磁流变液有许多优点： ( 1 ) 剪切屈服强度大：磁流变液的剪切屈服强度可以达到5 0 l o o k p a ，是 电流变液的5 2 0 倍，因此在相同的减振性能条件下。减振器的体积相应较小； ( 2 ) 工作电压低，耗能小：磁流变液可以在低电压下工作，般用几伏或 几十伏的电压就可以工作，而电流变液的工作电压要达到几千伏，因此磁流变液 第一二章磁流变液及其磁流变放席 装置可以避免高电压带来的危险和不便： ( 3 ) 工作温度范围宽：磁流变液受温度的影响较小，在一5 0 1 5 0 。c 的范 围内均可正常工作； ( 4 ) 对杂质不敏感：磁流变液对体内的杂质不敏感，工作稳定性好。 表2 1电流变液和磁流变液的主要性能参数 性能电流变液磁流变液 最大屈服强度( k p a ) 2 55 0 l o o 最大场强4 k v r n m ( 击穿限制)2 5 0 k a m m ( 饱和限制) 表观粘度( p a s ) 0 2 1 0o 2 1 0 使用温度范围( ) l o 9 0一4 0 1 5 0 稳定性 对杂质敏感对杂质不敏感 密度( g c m 3 ) 1 23 4 输入电压( v ) 2 0 0 0 5 0 0 02 2 5 我国是从1 9 9 5 年开始磁流变液及其器件研究的，目前中科院物理所、复旦 大学、重庆大学、中国科技大学、上海交大、哈尔滨工业大学、哈尔滨建筑大学、 西北工业大学、武汉工业大学等科研单位及院校也相继开展了磁流变液的研究工 作。哈尔滨工业大学的欧进萍和关新春等人系统地研究和开发了磁流变液及其性 能测试装置以及磁流变液减振器装置，并正在推动海洋平台结构和大型桥梁斜拉 索振动的磁流变阻尼控制系统的工程应用；重庆大学智能结构研究中心对于汽车 减振用磁流变减振器开展了系统的研究；南京航空航天大学在磁流变减振器实验 建模等方面进行了深入的研究；武汉理工大学摩擦学研究所在磁流变减振器力学 建模及结构设计等方面进行了研究。 2 2 磁流变液的制备 2 2 1 磁流变液的组成 磁流变液是将高饱和磁感应强度的磁性微粒分散在不导磁的载液中形成悬 浮液体，通常由三部分组成：磁性颗粒、基液和化学添加剂。 ( 1 ) 磁性颗粒：通常为粒径在1 1 0 微米范围内的软磁性的固体颗粒，它是 使磁流变液能够获得磁流变效应的主要成分。磁性颗粒的性能指标主要是粒度、 密度和磁导率等。磁流变液的极限剪切屈服强度与磁性颗粒的饱和磁化强度的平 第一二章磁流变液及其磁流变效应 方成正比。因此，高饱和磁化强度是磁性颗粒的最主要的性能指标之一。此外， 为产生磁流变效应，并满足磁流变液的极限剪切屈服强度之外的性能指标，磁性 颗粒还应该具有如下特点：1 ) 高磁导率：这可以使颗粒在较小的外磁场作用下 便可磁化成具有较大的颗粒，从而产生较大的剪切屈服强度，以满足磁流变液低 能耗的性能指标；2 ) 低磁矫顽力，即具有良好的退磁能力，基本不存在剩磁， 这是磁流变液可以恢复零磁场状态的要求；3 ) 颗粒尺寸要适中，粒径太小会导 致磁流变液的饱和磁感应强度太低，影响磁流变液的整体性能，太大则易引起严 重的沉降问题；4 ) 软磁性颗粒还应具有磁滞回线狭窄、内聚力小等特点。目前 用于制作磁性颗粒的主要有铁钴合金、铁镍合金、铁氧钡、铁氧锶、羟基铁等性 能优良的软磁性颗粒，其中应用最广的还是羟基铁颗粒，因为它是工业产品，产 量大，价格便宜。 ( 2 ) 基液：多为性能较稳定、不导电、不导磁的有机液体。作为连续介质 的载液，要求具有以下特点：1 ) 低粘度：这是降低磁流变液零磁场粘度的主要 手段。2 ) 高沸点、低凝固点，这样可以确保磁流变液具有较宽的工作温度范围， 并保证在其工作过程中物理、化学性能保持稳定。3 ) 具有相对较高的密度。沉 降一直是困扰磁流变液应用的一个重要因素，而解决沉降最有利、最彻底的方法 就是缩小基液和悬浮颗粒的密度差。4 ) 化学稳定性好，耐腐蚀，无毒、无异味， 价格低廉。目前基液通常采用硅油、煤油、矿物油、辛烷、机油等，其中应用最 多的是性能稳定的硅油。 ( 3 ) 添加剂：磁流变液体中的添加剂主要为稳定剂。作用是改善磁流变液 的沉降稳定性和凝聚稳定性。通常稳定剂具有特殊的分子结构：一端对磁性颗粒 界面能够产生高度的亲和力，吸附于磁性颗粒表面，另一端为极易分散于载液中 的具有适当长度的弹性基团，一般采用氧化硅胶添加剂或其它表面活化剂。 2 2 2 磁流变液的制备工艺 磁流变液制备的主要工艺过程如下“”： ( 1 ) 磁性颗粒的清洗 在生产过程中，磁性颗粒的表面会引入一定的油性污染物，对这些污染物的 适当清洗不仅可以提高磁流变液的稳定性，还可以提高磁性颗粒在磁场作用下形 成的磁偶极子间的作用力，增强流变效果。 ( 2 ) 烘干 磁性颗粒清洗后溶剂的挥发过程。 ( 3 ) 研磨分散 这是磁流变液制备过程中最为关键的工艺。微米级的磁性颗粒需要强有力的 第二章磁流变液及其磁流变效廊 机械作用才能达到均匀分散的效果。 2 3 磁流变液的磁流变效应 实验结果表明：在没有磁场作用的状态下，磁流变液是一种粘度较低的牛顿 流体；在处于强磁场的作用下，磁流变液中的悬浮颗粒被感应而由磁中性变为强 磁性，彼此之间相互作用，从而在磁极之间形成“链”状的桥，进而转化成宏观 的柱状结构，使其在短时间内由液体变成具有一定剪切屈服强度的粘塑性 ( b i n g h a m ) 体，并且随着磁场强度的增加，其剪切屈服强度相应增大，这种特性 被称之为磁流变效应。磁流变效应具有以下特点： ( 1 ) 连续性：随着磁场强度的变化磁流变液的屈服应力可连续变化。 ( 2 ) 可逆性：磁流变液既可随着磁场强度的增加而变硬，又可随着磁场强 度的减少而变为流体。 ( 3 ) 频率响应时间短：在磁场的作用下磁流变液的屈服应力正逆向变化所 需要的时间为1 0 s 量级。 ( 4 ) 磁流变效应对杂质不敏感。 ( 5 ) 低电力要求：可以采用低电压信号来控制磁场强度的强弱，从而控制 磁流变效应，这种控制是安全且容易实现的。 ( 6 ) 能耗低：磁流变效应所需的能耗较低，即使实现液体与固体之问的转 换也不会吸收或者放出大量的能量，这为磁流变液在车辆工程中的应用提供方 便。 到目前为止，磁流变效应产生的机理还没有明确地、完全被人接受的物理解 释。从显微镜观察看，在零磁场下，磁流变液的颗粒分布杂乱，而在强磁场作用 下却有规则，且沿磁场方向成链或链束状排列。因此，磁流变效应最直观的解 释是：在两极板之间形成的链束结构像桥一样横架在板极之间，阻碍了流体的正 常流动，使其产生类似固体的特征( 见图2 一1 ) 。 强0 苫0 0r 0 否9 0u000 零磁场情况 图2 - l 磁流变液流变机理 施加磁场时 第一二章磁流变液及其磁流变效廊 磁流变效应产生的原因比较有代表性且广为接受的有相变( 或成核) 理论和 场致偶极矩理论”。 相变理论认为在零磁场下，弥散在母液中的悬浮颗粒为随机状态，其迁徙和 转动受热波动影响，是自由相。当磁场场强增加到一定程度后，颗粒被磁化，受 热波动和场强两方面影响，某些颗粒互相靠拢成有序排列，成为有序相。随后随 着场强增加，这些有序相连成长链，且以长链为核心吸收短链，并使链变粗，构 成固态相。相变观点解释了“链束”变粗的现象，但对链强度问题无法解释。 场致偶极矩理论认为在外加磁场作用下，每一颗粒都极化成磁偶极子，各个 偶极子互相吸引形成链( 或纤维) ，磁流变效应强度与偶极子的大小有关，静磁相 互作用是该理论的基础。该理论能解释单链强度函数关系式的诸影响因素，也能 解释链演变过程的外加场强的三个区域，但该理论不能解释链变粗过程，也不能 解释磁流变液剪切屈服强度和粒子( 单畴和多畴) 白j 的关系。 2 4 磁流变液的本构关系 图2 2 是磁流变减振器的剪切应力与剪应变和剪应变速率的关系曲线。由图 中可以看出，磁流变液由静止受力状态到屈服流动状态的过程中存在着屈服前 区、屈服区和屈服后区三个阶段，并且在屈服前区和屈服区具有黏弹材料的特性， 其应力与应变的关系为： f = g yr r 。 ( 2 一1 ) 式中，t 是磁流变液的剪应力：，是剪应变；g 为磁流变液的剪切弹性模量； r 。是磁流变液的剪切屈服应力。屈服后区，磁流变液的本构关系可近似取为 b i n g h a m 体“”，在稳态剪切场下，其应力应变关系可表示为： f = r 。u 丁) s g n 护j + 玎户 ( 2 - 2 ) 式中，t 是磁流变液的剪应力；f 。( 日) 是与磁场强度h 有关的磁流变液的 屈服剪应力；n 是流体的动力粘度：尹是剪切速率。式中第二项称为粘滞剪应力， 表示的是牛顿流体的流动特性，是普遍粘性流体所具有的一般特性，体现了磁流 变液母液特性的一面；而第一项与磁流变液的屈服强度有关，称为库仑剪应力， 是固体材料的一般共性，体现了磁流变液的固体特性的一面。这表明了磁流变液 是一种既不同于液体又不同于固体的特殊可控流体。 b i n g h a m 模型只描述了磁流变液屈服后区的特性，没有考虑其它两个区域呈 现的粘弹性，因此这种简化的模型公适用于稳定剪切状态。 第二章磁流变液及其磁流变效应 f鞭 一 ， ( a ) 剪切应力与剪应变的关系 f ， ( b ) 剪切麻力与剪应变速率的关系 图2 2 剪切应力与剪应变和剪切速率的关系 磁流变液的流变特性与诸多因素有关。”“，概括起来主要有以下几点： ( 1 ) 磁流变液的剪应力与饱和磁化强度的关系 磁化颗粒达到磁饱和以后，磁流变液的剪应力随磁场强度的增加变化较小， 但随着磁化颗粒体积比的增大，磁流变液的饱和磁化强度也随之增加，剪应力会 大幅提高。 ( 2 ) 温度对磁流变液的影响 大量的试验和研究表明：磁流变液的屈服应力及性能在温度范围( 一4 0 1 5 0 之间) 内受温度的影响较小。 ( 3 ) 磁化颗粒尺寸对磁流变液的影响 磁化颗粒直径对屈服应力的影响取决于耦合系数的大小，一定尺寸的单分 散系比多分散系试样具有更佳的磁流变效应。 ( 4 ) 添加剂对磁流变液的影响 添加剂增大了磁流变液的粘度，有助于克服磁化颗粒的沉降。添加剂对不 同基液的亲和性能是不相同的，因此用不同基液配置的磁流变体，其稳定剂的配 比是不同的。采用预处理的磁性微粒来配制磁流变液已使分散相的不稳定性有所 改善，添加剂的比例应相应减少，或者采用对基液粘度不敏感的添加剂，使磁流 变液的表观粘度下降。 2 5 伤员运输车用磁流变减振器的磁流变液的- 胜能指标 为了使磁流变减振器具有优异的性能，提高车辆的减振性能，伤员运输车上 使用的磁流变液应该满足下列性能指标： 1 3 第二章磁流变液及其磁流变效应 ( 1 ) 为保证伤员和医护人员的人身安全，必须确保磁流变液无毒、无害和 无腐蚀； ( 2 ) 由于汽车是长期使用的，必须确保磁流变液的性能是稳定的、可靠的 和不沉淀的； ( 3 ) 零磁场黏度低，以便使磁流变液在磁场作用下具有同等剪切屈服强度 增长时，磁流变减振器具有更大的可调范围： ( 4 ) 由于汽车电瓶( 发电机) 的功率所限，磁流变减振器的功耗要小，必须 确保磁流变液在较低的磁场作用下发生磁流变效应，在外加磁场作用下，磁流变 液的剪切屈服强度至少达2 0 k p a 3 0 k p a ： ( 5 ) 汽车在冬季使用时温度较低，在夏季使用时温度较高，必须确保磁流 变液温度使用范围宽，即在相当宽的温度范围内具有极高的稳定性( 一般要求 一4 0 5 0 ) ： ( 6 ) 磁流变液的响应速度要快， 境中进行实时控制； ( 7 ) 磁流变液本身的价格要低， 小结 以确保磁流变减振器在较高振动频率的环 从而降低装备的生产和使用成本。 本章介绍了磁流变液的研究与发展现状，对磁流变液与电流变液的性能和 优缺点进行了比较。说明了磁流变液的组成并分析了各组成成份对其性能的影 响，介绍了磁流变液的制备工艺。阐述了磁流变效应及其特点以及磁流变效应产 生的机理。分析了磁流变液的本构关系以及影响流变机理的因素，为磁流变减振 器的阻尼力分析提供了理论依据。 第二章磁流变减振器的结构与理论分析 第三章磁流变减振器的结构与理论分析 3 1 磁流变减振器的工作模式 磁流变减振器工作模式基于以下三种”：流动模式( f l o wm o d e ) 、剪切 模式( s h e a rm o d e ) 和挤压模式( s q u e e z em o d e ) ，这三种模式可以任意组合成新 的混合模式。 ( 1 ) 流动模式，如图3 - 1 ( a ) 所示，在两固定不动的极板之间，由于压力 差的作用使磁流变液产生流动，而外加磁场使磁流变液的流动性能发生变化，使 得推动磁流变液流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目 的。 ( 2 ) 剪切模式，如图3 - 1 ( b ) 所示，由于两极板之间相对运动，拖动磁流变 液从一侧流向另一侧，产生剪切流动，外加磁场垂直于极板相对运动方向和液体 流动方向。外加磁场是受控的，磁流变液在不同磁场强度下可以产生不同的剪切 屈服应力，从而极板之间相对运动所产生的阻尼力就受到磁场的控制。 ( 3 ) 挤压模式，如图3 一l ( c ) 所示，两极板之间充满磁流变液，磁流变液 受极板的挤压向四周流动，外加磁场经过极板作用于两极板之间的磁流变液，极 板的运动方向平行于外加磁场方向，使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推 动极板运动的活塞所受阻尼力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用 这种工作模式可以设计开发行程较小的磁流变减振器。 l固定磁极 季日r 。习1 t 一 小 i固定磁极 0 ，。 l移动磁极 厂书7 liii k lu 盱kl ji q 一 、 l固定磁极 ( a ) 流动模式 ( b ) 剪切模武( c ) 挤模式 图3 i 磁流变减振器的i ：