（机械设计及理论专业论文）基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼材料的理论及实验研究.pdf

原创性声明 蚴i i , , | | i t i l l iii ii l i l li i i i iiiiii i i y 1 7 4 。1 。6 5 0 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学工学博士学位论文 基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼材 料的理论与实验研究 姓名：刘旭辉 导师：汪希平教授 王文副研究员 学科专业：机械设计及理论 上海大学机电工程与自动化学院 2 0 0 9 年1 2 月 l _ ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ri ne n g i n e e r i n g t h e o r i c a la n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n m rf l u i dd a m p i n gm a t e r i a lb a s e do n p o r o u s f o a mm e t a l s p h dc a n d i d a t e ：l i ux u h u i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gx i p i n g a s s o p r o f w a n gw e n m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s c h o o lo fm e c h a t r o n i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ， s h a n g h a iu n i v e r s i t y d e c e m b e r ，2 0 0 9 上海文学博士学位论文 摘要 磁流变液阻尼器作为种半主动可控的阻尼器件，自磁流变现象发现后一直 是学术界和工程界的研究热点。这种阻尼可控器件，其内部阻尼介质采用磁流变 液，该液体主要由微米级尺寸大小的磁性颗粒与载液和稳定剂混合而成，通过调 节不同强度的外加磁场，使阻尼通道中磁流变液的流动特性发生变化，从而控制 阻尼力。目前高性能的磁流变液在市场上已可以购买，但价格昂贵，因此只有在 一些重要或高端的技术领域，有可控磁流变液阻尼器的应用实例。传统的磁流变 阻尼器由于是采用腔体充满磁流变液的设计方式，用量大，同时还需专门的密封 装置，导致价格昂贵；另外在工作时，硬质的磁性颗粒极易进入到密封部位的间 隙里，加剧了密封处的磨损，影响了阻尼器的寿命。 本论文针对磁流变液阻尼器在工程应用中碰到的价格昂贵和使用寿命短的 瓶颈问题，以现有的多孔海绵磁流变液阻尼器设计为模版，研究了采用多孔泡沫 金属替代多孔海绵储存磁流变液并产生阻尼的新型磁流变液阻尼材料的可行性， 对这种磁流变液阻尼材料产生阻尼效应的机理进行了理论和实验研究，并对该材 料的动态响应和阻尼性能进行了测试和分析。 本论文完成的主要工作有： 1 ) 提出多孔材料的结构参数选择原则，对相关参数进行了测试，为选择合 适的多孔材料储存磁流变液并产生阻尼提供实验依据。研究了磁流变液在毛细管 中的上升现象，得到磁流变液在毛细管中的上升高度与孔径的关系以及毛细管内 的磁流变液性能变化情况，初步确定了保证磁流变液性能不产生较大变化的最小 孔径；测试了不同种类和不同孔隙率的多孔材料储存磁流变液的能力，分析了磁 流变液在通过多孔材料后的渗透情况。 2 ) 分析和测试了多孔泡沫金属的性能。针对选择的多孔泡沫金属( 铜、铁、 镍) ，利用石蜡熔融法，测出多孔泡沫金属的孔隙率，测试了在重力作用下，磁 流变液通过多孔泡沫金属后的性能变化与多孔泡沫金属结构参数的关系；对不同 种类多孔泡沫金属的相对磁导率及对磁场分布的影响进行了理论和实验研究。 本课题受香港特别行政区政府研究资助局项目“a p p l i c a b i l i t yo fp o r o u sm e t a l s i n m a g n e t o - t h e o l o g i c a lf l u i dd a m p i n ga p p l i c a t i o n s ( n o 9 0 4 1 1 5 9 ，c i t y u1 2 1 6 0 6 ) 资助。 一 上海史学博士学位论文 3 ) 研究了磁流变液在磁场作用下的上升机理，建立了用于计算磁流变液上 升高度的理论模型，搭建t n 试磁流变液上升高度的装置，测试了磁流变液在不 同强度外加磁场下的上升高度，实验验证了所建立的磁流变液上升高度计算模型 的准确性，磁流变液上升高度的理论模型建立和实验验证工作为分析多孔泡沫金 属磁流变液阻尼材料的阻尼效应提供了理论依据。 4 ) 搭建了多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的性能测试系统，研究了剪切转 矩及其影响因素。介绍了性能测试装置的工作原理、主要结构和测试系统，采用 计算、仿真和实验的方法分析了所设计装置的内部磁场分布。应用搭建的实验装 置研究了不同多孔泡沫金属、剪切间隙、外加电流( 磁场) 及剪切应变等对多孔 泡沫金属磁流变液阻尼材料剪切转矩的影响。结果表明，采用多孔泡沫金属铜储 存磁流变液时产生的剪切转矩最大；对于多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料，在外 加磁场强度和剪切间隙相同的条件下，从多孔泡沫金属中析出磁流变液的量对剪 切转矩的影响非常大。 5 ) 研究了多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的动态响应性能。定义了三个时 间参数用于表征多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的动态响应性能，实验研究了剪 切间隙、外加电流( 磁场) 以及多孔泡沫金属的材料等参数对动态响应性能的影 响，同时分析了响应时间的其它影响因素，建立了多孔泡沫金属磁流变液阻尼材 料的响应时间计算模型，利用建立的响应时间计算模型，对多孔泡沫金属磁流变 液阻尼材料剪切转矩和响应时间的变化进行了分析。 关键词：磁流变液；多孔泡沫金属；响应时间；剪切性能 l i 工海大学博士学位论文 a bs 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 d ( m rf l t l i d ) d a m p e r , a sak i n do ft h es e m i a c t i v ea n d c o n t r o l l a b l ed a m p e r s ，h a sb e e nf o c u s e df o rt h ea c a d e m i aa n d e n g i n e e r i n gr e g i o ns i n c e t h em re f f e c tw a sd i s c o v e r e d m rf l u i d ，a st h ed a m p i n gm e d i u mo ft h ed a m p e r , i sa s t a b l ed i s p e r s es y s t e mc o m p o s e do ft w op h a s e s ，s u c ha sm i c r os i z e dm a g n e t i cp a r t i c l e s ， c a r t i e ro i la n ds t a b i l i z e r a l t h o u g hf u l l yc o m m e r c i a l ，m a s s - p r o d u c e dm rf l u i d sa n d d e v i c e sh a v eb e e na v a i l a b l ev i at h er e t a i lm a r k e ta n da p p l i e d ，t h eh i g hc o s to fm rf l u i d d a m p e ri ss t i l l ab a r r i e rt ow i d e s p r e a dc o m m e r c i a la c c e p t a n c ei nm a n ya r e a s t h e t y p i c a lm r fd a m p e r sn e e dl a r g ev o l u m eo fm rf l u i da n ds p e c i f i cs e a l i n gc o m p o n e n t t or e s t r i c tm r fl e a k a g em a k et h e mv e r ye x p e n s i v e b e s i d et h i s ，t h ew e a rp r o d u c e db y t h em a g n e t i c p a r t i c l e sw i l la l s os h o r t e nt h el i f eo f t h ed a m p e r t h em o t i v a t i o no ft h ew o r ki st oo v e r c o m et h el a r g ev o l u m eo fm r fa n d c o s t l ys e a l n e e d e db yc o n v e n t i o n a lm r fd 锄p e r s r e f e r r i n gt ot h ep o r o u ss p o n g em rf l u i d d a m p e r , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa l lo r i g i n a li d e at ou s ep o r o u sf o a mm e t a lt oh o l d m a g n e t o - r h e o l o g i c a lf l u i d ( m i 讧) w h e nu n e x c i t e da n dt h em rf l u i dc a l lb ep r o p e l l e d w h e ne x c i t e dw i t he x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h ef e a s i b i l i t ya n dt h e o r yo l lt h ep o r o u s f o a mm e t a lu s e dt os t o r em rf l u i da n dp r o d u c et h ed a m p i n ge f f e c ti ss t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g s ： 1 ) t h ep r i n c i p l e sf o rs e l e c t i o no ft h ep o r o u sm a t e r i a l s a r ep u tf o r w a r d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em rf l u i dc a p i l l a r yf o r c ea n dt h ep o r es i z e ，t h ec h a n g eo fm r f l u i dc h a r a c t e r i s t i c si nt h em i c r ot u b es u c ha sd e n s i t ya r ei n v e s t i g a t e d t h em r f s t o r i n ga b i l i t ya n dt h ep e n e t r a b i l i t yo fd i f f e r e n tp o r o u sm a t e r i a l sh a v eb e e ne v a l u a t e d t h e s ee x p e r i m e n t a lw o r k sa r em u c hu s e f u lf o rt h es e l e c t i o no ft h es u i t a b l em a t e r i a l st o s t o r em r f 2 ) t h ep e r f o r m a n c eo fp o r o u sf o a mm e t a l si ss t u d i e da n dt e s t e d t h ep o r o s i t yo f p o m u sf o a mm e t a l ( f e ，n ia n dc u ) i sm e a s u r e du s i n gf u s i b l ep a r a f f i n t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep e n e t r a b i l i t yo fp o r o u sf o a mm e t a la n dt h ec h a n g eo fc h a r a c t e r i s t i c so f m rf l u i di so b t a i n e db y m e a s u r i n go fm r f l u i da f t e rf l o w i n gt h r o u g ht h ep o r o u sf o a m m e t a l t h er e l a t i v ep e r m e a b i l i t yo ft h r e ep o r o u sf o a mm e t a l sa r em e a s u r e db y v i b r a t i n g i i i 厂 上海大学博士学位论文 s a m p l em a g n e t o m e t e r t h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dt h i c k n e s so fp o r o u s f o a mm e t a l so nt h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf i e l di ss t u d i e d 3 ) t h em e c h a n i s mo ft h er i s i n gp h e n o m e n o no fm rf l u i du n d e rm a g n e t i cf i e l di s i n v e s t i g a t e d t h ec o m p u t i n gm o d e lo ft h er i s i n gh e i g h to fm rf l u i di sb u i l tu p at e s t r i gi sd e v e l o p e dt oe v a l u a t et h er i s i n gh e i g h tu n d e rt h ed i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d ；t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ec o m p u t i n gm o d e lo ft h er i s i n gh e i g h t t h e s ew o d ( s p r o v i d et h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ed a m p i n ge f f e c to fm r fs o a k e d p o r o u sm e t a lf o a m ( a l s on a m e dp o r o u sf o a mm e t a lm r f d a m p i n gm a t e r i a l s ) 4 ) as h e a r i n g p l a t e - o n - p l a t et e s t - r i g i s d e v e l o p e d 8 0a st o i n v e s t i g a t e t h e p e r f o r m a n c eo fm r fs o a k e dm e t a lf o a m t h ee f f e c t , s h e a r i n gg a p ，c u r r e n ta n d d i f f e r e n tm e t a lf o a m so nt h es h e a r i n gp e r f o r m a n c e ，a r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ep o r o u sf o a mm e t a lc u , w h i c hc o u l dp r o v i d et h em a x i m a ls h e a rt o r q u e ，i sf o u n d o u t a tt h es r n l ec o n d i t i o no f m a g n e t i cf i e l da n ds h e a r g a p ，t h es h e a r i n gp e r f o r m a n c ei s s e n s i t i v et ot h ev o l u m eo ft h ep r o p e l l e dm r f 5 ) t h ep e r f o r m a n c eo fd y n a m i cr e s p o n s eo ft h em r fs o a k e dp o r o u sm e t a lf o a mi s i n v e s t i g a t e d t h et h r e et i m ep a r a m e t e r sa r ed e f i n e dt od e s c r i b et h ed y n a m i cr e s p o n s e t h ee f f e c t , s h e a r i n gg a p ，c u r r e n t ( o rm a g n e t i cf i e l d ) a n dd i f f e r e n tm e t a lf o a m so nt h e d y n a m i cr e s p o n s e ，a r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ec o m p u t i n gm o d e lo nt h e r e s p o n s et i m ei sb u i l tu pt oe x p l a i nt h es h e a rp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cr e s p o n s e 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 lf l u i d , p o r o u sf o a mm e t a l ，r e s p o n s et i m e ，s h e a r p e r f o r m a n c e i v 上海大学博士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 】 目：录v 主要符号说明i 第一章绪论1 1 1 课题的提出l 1 2 国内外研究进展、现状2 1 2 1 磁流变液阻尼器技术的发展。2 1 2 2 多孔材料的发展及其应用5 1 2 3 多孔材料用于磁流变液阻尼器的研究回顾6 1 3 主要研究内容9 1 4 本章小结1 0 第二章多孔材料的参数选择及其特性测试一1 0 2 1 多孔材料的参数选择依据1 0 2 1 i 多孔材料的孔径。1 0 2 1 2 多孔金属材料的类型及其渗透效果。1 5 2 2 多孔泡沫金属及其性能测试1 7 2 2 1 多孔泡沫金属的生产过程1 7 2 2 2 多孔泡沫金属的孔隙率测试1 8 2 2 3 多孔泡沫金属的渗透性能测试一2 0 2 2 4 多孔泡沫金属的磁特性测试2 4 2 3 本章小结3 0 第三章磁流变液在磁场作用下的上升机理及实验研究3 l 3 1 磁流变液在磁场作用下的上升机理3 l 3 1 1 磁流变液中磁性颗粒的成链原因3 1 3 1 2 磁流变液在磁场中上升的运动方程3 5 3 2 磁流变液在磁场作用下的上升实验3 8 3 2 1 试验台的机械部分。3 8 3 2 2 实验结果与仿真4 0 3 3 结果分析与讨论4 3 3 4 本章小结4 4 第四章多子l 泡沫金属磁流变液阻尼材料的性能测试系统4 5 v 上海大学博士学位论文 4 1 性能测试的结构设计及工作原理4 5 4 2 性能测试实验台的安装、调试5 0 4 3 内部的磁场分析。5 2 4 4 数据采集测控系统5 5 4 4 1 测试系统及硬件部分5 5 4 4 2 软件部分及调试一5 8 4 5 本章小结6 l 第五章多孔泡沫金属磁流变液阻尼材料的剪切转矩及影响因素6 2 5 1 实验简介及数据的处理方法。6 2 5 2 剪切转矩测试。6 4 5 2 1 多孔泡沫金属材料、剪切间隙和电流对剪切转矩的影响6 4 5 2 2 剪切应变对剪切转矩的影响6 9 5 3 实验结果的分析与讨论7 0 5 3 1 剪切转矩的计算7 0 5 3 2 磁感应强度对剪切转矩的影响。7 l 5 3 2 磁流变液的体积对剪切转矩的影响。7 3 上海大学博士学位论文 一_ _ 一 彳 曰 d e f 上、碌 h i k 三 m n q r 瓯 s p r g 矗 ，靠 p 乞 主要符号说明 流体通过的截面积( 姗2 ) 、空气隙的横截面积( m m 2 ) 多孔材料的透过系数、磁感应强度仃) 毛细管内径( m m ) 磁场力( n ) 磁流变液受到的向上、下的作用力( n ) 液面高度( m m ) 、磁场强度( a m ) 线圈的电流( a ) 渗透系数( m 2 以g ) 、磁流变液形状的曲率 磁路的长度( m ) 磁化强度( a m ) 线圈匝数 流体流量( m 3 i s ) 、磁流变液的体积( m 3 ) e f t ( a w b ) 、磁性颗粒的半径( m ) 玻璃管的横截面积( m 2 ) 泡沫金属的单孔面积( m 2 ) 剪切转矩( n m ) 重力加速度( m s 2 ) 上升的高度( m m ) 、剪切间隙( m m ) 磁流变液的质量( 蝇) 、磁性粒子的磁矩 液面附加压力( p a ) 、磁流变液的静压力( p a ) 毛细管半径( 蚴) v 上海大学博士学位论文 剪切盘半径( m m ) 两磁性颗粒的相对位置一 空气、金属的截面积( m 2 ) 响应时间( i l l s ) 磁流变液的上升速度( m s ) 磁通量( n u n ) 磁流变液( 液体) 的表面张力系数( n m ) 多孔泡沫金属孔隙率 剪切应变( s - 1 ) 磁性颗粒的磁化率 磁流变液的磁化率 多孔材料的厚度( m m ) 磁流变液( 流体) 的粘度( p a s ) 屹 勺 s f v 砂 仃 y 无 而 艿 刁 上海文学博士学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 采用阻尼器对机械零件和设备进行减振防护是工程界研究的重要课题，常用 的阻尼器一般利用自身储存和消耗振动能量来满足结构的减振标准，如橡胶金属 阻尼器、弹簧阻尼器和液压阻尼器等，这种方式缺乏自我调节能力，在不确定的 外界载荷作用下，很难满足结构的减振要求。因此，具有非线性特征和良好可控 性的智能阻尼器就成了一种新的选择。 磁流变液阻尼器用于控制机械结构的振动是近年来兴起的研究热点，它是一 种阻尼可控器件，其内部液压缸的阻尼介质采用磁流变液，主要由微米级尺寸大 小的磁性颗粒、载液和稳定剂混合而成，其工作原理是调节外部线圈中的电流获 得不同强度的磁场，使阻尼通道中磁流变液的流动特性发生变化，一旦去掉磁场 后，磁流变液又变成可以流动的液体，从而控制输出的阻尼力。磁流变液阻尼器 具有调节范围宽、功耗低、响应速度快、结构简单等特点，在振动控制工程领域 具有广阔应用前景。 目前，国内外在磁流变液技术上的研究主要包括磁流变液的制备、阻尼器结 构设计、控制方法以及如何降低磁流变液阻尼器的高成本等方面，2 0 0 8 年，在 德国召开的第1 l 届电磁流变液国际会议上，与会专家美国l o r d 公司的c a r l s o n 博士等人表示，如今磁流变液制备和阻尼器的控制技术能够满足实际工程应用的 要求，但由于在传统的磁流变液阻尼器设计中，缸体内部需要充满磁流变液，这 使得磁流变液的用量大而引起造价过高，同时需要设计专门的密封装置，在阻尼 器的活塞往复运动时，磁性颗粒进入到密封部位的间隙处，也加剧了磁流变液阻 尼器的磨损，影响了寿命，这已成为将磁流变液技术进一步推广的障碍。 因此，如何解决磁流变液阻尼器在工程应用中碰到的价格昂贵和使用寿命短 的问题成为如今研究的一大热点，初步研究表明，采用多孔材料储存磁流变液时， 在磁场及其它外力的作用下，磁流变液能够从多孔材料中析出，在剪切间隙内形 成磁流变效应，在撤掉磁场之后，部分磁流变液将流回到多孔材料内，而不产生 泄漏，因此采用多孔材料储存磁流变液时，不需要密封，而且磁流变液的用量少， 本文根据这一原理，提出采用多孑l 泡沫金属储存磁流变液并产生阻尼效应的设计 上海大学博士学位论文 理念，并展开基于多孔泡沫金属的磁流变液阻尼材料的理论和实验研究。 1 2 国i 内j b 研究进展、现状 1 2 1 磁流变液阻尼器技术的发展 1 9 4 8 年，美国科技工作者r a b i n o w 首次发现，在j l - d n 磁场的作用下，某些 流体的粘度会迅速发生显著变化，从而改变了流变特性，当去掉外加磁场时，流 体又恢复到原来的状态，其响应时间为几个毫秒，这种现象称为磁流变效应。 磁流变液就是一种能够产生磁流变效应的悬浮液体，它能在毫秒级的时间 内，实现自由流动流体和“半固体 之间的快速转化。磁流变液通常由三部分组 成：1 ) 磁性微粒悬浮体，一般为具有高磁导率、低矫顽力的微小磁性微粒，如 铁钴合金、铁镍合金、羰基铁等软磁材料，其直径为微米级，颗粒直径太小使得 饱和磁感应强度降低，颗粒过大则很难使悬浮体保持均匀稳定。2 ) 母液，它是 磁性微粒悬浮的载体，为了保证磁流变液具有稳定的特性，母液应具有低粘度、 高沸点、低凝固点和较高密度等特性。目前，较为常用的母液是硅油，一些高沸 点的合成油和优质煤油也可作为磁流变液的母液。3 ) 表面活性剂，其主要作用 是包覆磁性微粒并阻止其相互聚集而产生凝聚，使颗粒能够悬浮于液体中，减少 或消除沉降。 目前，磁流变液主要由人工方法合成，在零磁场的条件下，磁性颗粒均匀分 散在液相里，对外呈现出低粘度的牛顿流体特性，如图1 1 ( a ) ，而施加磁场后， 磁性颗粒因磁场作用而结成链状结构，如图1 1 ( b ) 。 ( a ) 无磁场作用时( b ) 有磁场作片j 时 图1 1 磁流变液的流变特性 当磁场继续增大时，磁流变液则呈现出高粘度、低流动性的宾汉姆流体特性， 这种转变过程是可逆的，能够通过改变磁场而平稳、快速地完成，由于这种特性， 2 上海大学博士学位论文 采用磁流变液作为介质的阻尼器具有结构简单、体积小、能耗低和可连续调节等 优点，成为对机械结构实施半主动控制的理想装置。 根据磁流变液的流动状态，磁流变液阻尼器的工作模式有压差流动模式、剪 切流动模式和挤压流动模式，三种基本模式的工作情况如图1 2 所示。 捷耽援或晰d 0 釉奠协一式勰黼t 崩国 卉压攫式岱驴曩i 酗 图1 2 磁流变液阻尼器的工作模式 在剪切流动模式下，外加磁场垂直于极板相对运动方向，磁流变液在相对运 动的极板间流动，从而产生剪切变形。多 i - j j h 磁场是受控的，在不同磁场强度下可 以产生不同的剪切屈服应力，从而使极板之间相对运动产生的阻尼受到磁场的控 制，使磁流变液形成剪切流动从而产生阻尼，图1 3 为国内外最常见的剪切流动 模式型磁流变液阻尼器的内部原理。 活塞杆 活塞线圈 磁流变液 密封处 图1 3 剪切流动式磁流变液阻尼器内部原理 挤压流动模式的磁极移动方向与磁场方向相同，磁流变液在磁极压力的作用 下向四周流动，磁场方向与磁流变液流动方向垂直，从而产生阻尼。在这种作用 工海大学博士学位论文 模式下，磁极移动位移小，磁流变液产生的阻尼力大，一般常用于小位移大阻尼 的场合。 几乎与r a b i n o w 发现磁流变液现象的同时，w i n s l o w l 2 l 发明了电流变液，起 初由于磁流变液的制备技术和励磁装置的设计问题，对于这两种智能液体的研 究，大部分集中于电流变液。但一直以来，由于电流变液的剪切屈服应力较低， 且存在高电压的安全性问题，从1 9 8 0 年以来，磁流变液又重新引起了研究者们 的兴趣，迄今，国际上已经连续召开了1 l 届电流变液与磁流变液国际会议，这 些都促进了磁流变液及其技术的研究与开剔3 】【4 】。 目前，各国家都在竞相发展这一技术，1 9 9 1 年，美国的s h t a r k m a n 5 删研制 了磁流变液旋转式减振器，并将其应用于汽车悬架主动控制系统。美国l o r d 公 司的c a r l s o n 和w e i s s 7 】【8 】【9 】等人自1 9 9 3 年以来在磁流变液及其应用研究方面取得 了突出成就，如今l o r d 公司已有高性能的系列产品推向市场。1 9 9 6 年，日本学 者n a g a y ak o s u k e 和中国学者李连进【1 0 】【i l 】【1 2 1 对磁流变液减振器的控制方法及在 噪声减振上的应用进行了研究。1 9 9 3 年，g i n d e 9 1 3 】【1 4 】采用有限元技术研究了磁 的非线性饱和对磁流变液材料内部剪切应力的影响，并对内部剪切应力的计算进 行了研究。1 9 9 6 年，美国d y k e 和s p e n c e r 1 5 】【1 6 】等人将磁流变液阻尼器用于大型 结构地震响应的控制，同时讨论了影响磁流变液阻尼器动态响应时间的因素，建 立了基于b o u c e w e n 模型的阻尼器动态模型和伪静力模型。1 9 9 6 - 1 9 9 8 年，美 国福特汽车公司的g i n d e r 1 刀【1 8 】【1 9 1 等人对采用有限元的方式，对磁流变液屈服应 力进行了研究。1 9 9 9 年，美国通用汽车公司g o p a l s w a m y 2 0 】研制了磁流变液及磁 流变液离合器，并将进行了应用研究。美国加州州立大学的z h u 和l i u 等人【2 1 】 对磁流变液的流变学，特别是微观结构进行了较多研究，分析了影响磁流变液流 变特性的因素。1 9 9 6 年，白俄罗斯传热传质研究所k o r d o n s k i 等人【2 2 】【2 3 1 在磁流 变液的性能以及磁流变液抛光、密封等应用研究方面取得了重大进展，扩大了磁 流变液的应用范围。1 9 9 5 1 9 9 8 年，法国b o s s i s 和c u t i l l a s 等人【2 4 】【2 5 1 研究了磁 流变液的机理，特别是在微观结构分析方面作了重点研究。1 9 9 6 年，德国k o r m a n 等人【2 6 】已研制出了稳定的纳米级磁流变液，提高了磁流变液的稳定性。2 0 0 3 年， l o r d 公司的网站还发布了适用于汽车悬架的r h e o n e t i c 系列磁流变液阻尼器。 我国对磁流变液的研究起步较晚，1 9 9 6 年，中国科学技术大学唐新鲁【2 7 】【2 8 】 4 上海大学博士学位论文 对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究，分析了磁流变液成链的原因。 1 9 9 9 年，金昀f 2 8 】研制了两套磁流变液屈服应力测试系统，对不同性能的磁流变 液进行了测试。1 9 9 8 年，陈祖耀【2 9 】等人用新方法制备了超细磁性粉末和磁流变 液。上海交通大学陈吉安和重庆大学廖昌荣 3 1 】【3 2 】对磁流变液阻尼器在汽车减 振上的应用进行了研究。江苏大学潘公宇和谢俊【3 3 】【3 4 通过实验建立了磁流变液 阻尼器的粘性迟滞模型。上海大学张华良【3 5 】对环形极板中磁流变液的力学性质 进行了研究，建立了磁流变液阻尼器阻尼力的理论计算模型。哈尔滨工业大学欧 进萍等人【3 6 】对磁流变液阻尼器在地震工程领域进行了研究。电子科技大学杨仕 清【3 7 】【3 8 对磁流变液的制备及流变性质进行了研究。国内研究磁流变液的单位还 有西南师范大掣3 9 1 、天津大学 4 0 l 、北京航空航天大学【4 l 】、安徽理工大学蚓和中 国科学院长春光机所【4 3 】等单位。 1 2 2 多孔材料的发展及其应用 多孔材料是2 0 世纪发展起来的崭新材料体系，主要是其无机物f j 体在模板 剂的作用下，借助有机超分子的界面作用，形成具有一定结构和形貌的无机材料， 有时根据需要加入催化剂或助剂】，然后除去溶剂，经煅烧或化学处理除去模 板得到，多孔材料包括多孔金属材料，如金属纤维毡、泡沫金属和烧结金属等【4 5 1 ， 和多孔非金属材料，如泡沫塑料、海绵、多孔玻璃等。 多孔金属材料的种类很多，其中粉末冶金烧结金属和多孔泡沫金属是较为常 用的两种。 1 ) 粉末冶金烧结金属。上世纪6 0 年代，随着应用领域的拓宽和应用环境 的更高要求，出现了钛、不锈钢等抗腐蚀、耐高温的粉末冶金烧结金属。到目前 为止，用于生产粉末冶金烧结金属的材料主要包括青铜、不锈钢、镍及镍合金等， 其生产过程是将不同粒径和材料的金属粉末经压制烧结而成，其中孔隙的体积约 占粉末冶金材料总体积的1 0 - 3 5 ，可用于贮存润滑油，又称为含油材料【删。 2 ) 多孔泡沫金属材料。1 9 4 8 年，s o s n i k 4 7 1 最早提出了利用汞在铝中气化而 制取多孔泡沫铝的想法。后来e l l i s t l 4 8 l 发展了这一想法，并在1 9 5 6 年成功地制造 出了泡沫铝。由于多孔泡沫金属特殊的结构、性能和广泛的用途，吸引了来自日 本、美国、前苏联及西欧各国众多研究者及政府的关注，并在近l o 年取得了快 速发展【4 9 】【5 0 】【5 l 】。多孔泡沫金属既具有一般多孔材料质轻和孔径大的特性，又具 上海大学博士学位论文 有优良的机械性能和热、电等物理性能，从而扩大了多孔材料的应用范围。 作为一种新型的功能材料，多孔泡沫金属具有渗透性好、孔隙和孔径可控、 形状稳定、耐高温、能再生、可加工等特殊性能，在以下领域具有广泛的应用前 景【5 2 】。 1 ) 电极材料，高孔隙率的多孔泡沫金属，如多孔泡沫金属镍等，在用作电 池的电极材料时表现出了较好的性能，使电池的比功率、比容量有了较大的提高， 同时可以满足快速充电的要求。 2 ) 催化剂载体，由于多孔泡沫金属的比表面积大，在化工领域，可以用作 催化剂的载体。 3 ) 机械缓冲材料，由于多孔泡沫金属特有的多孔结构，使得它在振动或碰 撞时能够吸收能量，因而用做机械缓冲材料。 4 ) 消音材料，多孔泡沫金属特有的孔隙，可以在声音通过时发生散射、干 涉等现象，使得部分声能被吸收，降低噪音对人体造成的损害。 5 ) 过滤材料，把多孔泡沫金属加工成一定的形状，可以用作过滤介质，从 废水、溶液、石油等流体中过滤取出悬浮物或固体杂质。 1 2 3 多孔材料用于磁流变液阻尼器的研究回顾 国内外在研制磁流变液阻尼器的过程中，常遇到磁流变液的沉淀、易泄漏、 加工精度过高以及磁流变液的用量大等方面的问题，这些问题影响了磁流变液阻 尼器的使用寿命，同时也使得磁流变液阻尼器的造价昂贵，阻碍了其进一步的应 用推广。 浙江大学祝长生【5 3 】为解决磁流变液的沉淀和密封等问题，提出了磁流变脂 阻尼器的概念设计，并进行了初步的研究，研究结果表明了磁流变脂阻尼器在外 加磁场的作用下，可以产生明显的阻尼效果；哈尔滨工业大学的李明章【矧和辽 宁工程技术大学的徐平【5 5 1 利用多孔泡沫金属的吸振性能，研究了一种新式的磁 流变液阻尼器，结果表明，这种复合减振的方式使磁流变液阻尼器的阻尼性能有 了明显的提高，但在综合解决磁流变液阻尼器的密封、寿命以及造价等问题方面， 国内外的研究进展相对缓慢，而很多学者对磁流变液或者磁性液体在多孔介质内 流动的研究为本文的进一步研究提供了新的思路。 法国学者g e o r g e sb o s s i s 5 6 】在理论上对磁流变液通过多孔介质的模型进行了 6 上海大学博士学位论文 研究，预测了磁流变液在流过多孔介质后的压力降；德国学者t r i c k e n 5 7 】建立了 多相流在具有微米级孔径的多孔介质材料内的流动模型，为多孔介质在磁流变液 阻尼器设计中的应用提供了理论依据；白俄罗斯学者v b a s h t o v o i s s 】研究了磁流 变液在毛细管中的上升现象，建立了上升过程中磁流变液的表面变形模型。美国 l o r d 公司c a r l s o n 和c h r z a n 5 9 】【删将多孔海绵用于磁流变液阻尼器的设计中，设 计原理如图1 4 ，这种设计在解决磁流变液阻尼器的密封、加工工艺以及磁流变 液的沉淀和用量等问题上取得了突破，其特点是将充满磁流变液的多孔海绵围绕 在装有电磁极的导磁钢轴上，在轴的一端形成活塞，可以在导磁缸筒内部沿轴向 自由运动，由活塞和导磁钢筒提供磁力线通道。 图1 4 多孔海绵磁流变液阻尼器的设计示意图 在图1 3 中，磁流变液阻尼器内部需要完全充满磁流变液，在端面需要采用 高精度的密封部件，在活塞往复运动的过程中，端面的密封处也容易磨损，而图 1 4 的结构中，磁流变液通过毛细管力储存在多孔海绵的孔隙中，避免了泄漏， 而且磁流变液的用量少，研究结果表明，多孔海绵磁流变液阻尼器仅需要3i t l l 的磁流变液就可产生1 0 0n 的阻尼力【鲫，因此，多孔海绵磁流变液阻尼器价格低 廉，这使其能够用于那种控制程度高而对阻尼力要求较低的场合。倘若多孔海绵 能够容纳足够多的磁流变液，与缸体内部充满磁流变液的阻尼器相比，其阻尼性 能也不会受到影响；c a r l s o n t 6 l 】将其用于了洗衣机的振动控制实验，验证了其阻 尼效果，随后对多孔海绵磁流变液阻尼器的测试表明，在放置1 8 个月后，该阻 尼器的性能与此前基本相同，该设计综合解决了磁流变液阻尼器的密封、使用寿 命以及磁流变液的