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

毕业论文开题报告

机械设计制造及其自动化

磁流变弹性体挤压工作模式减振结构的概念设计及系统分

析

-、选题的背景与意义：

磁流变弹性体（MagnetorheologicalElastome）是由高分子聚合物（如橡胶

等）和铁磁性颗粒组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下固化，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。它兼有磁流变材•料、磁性橡

胶和弹性体的优点，又克服了磁流变液沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，因

而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。

20世纪40年代，科学研究工作者发现了磁流变现象，即在外加磁场下，

磁流变弹性体的流变特性会随外加磁场强度的变化而变化。随着对磁流变弹性体

的研究的深入，人们发现其刚度在外加磁场的增加时，会显著增加；当外加磁场

撤去时，磁流变体又恢复到原来的状态，并且其响应时间仅为几毫秒。

由于磁流变弹性体减振器具有体积小、功耗少、阻尼力大、动态范围广、频

率响应高和适应面宽的优点。特别是避免了传统的被动式减振器适应性差和主动

减振器控制算法复杂和控制器稳定性问题。使之成为磁流变弹性体重要的应用和

研究领域之一。目前国际上研究出很多基于磁流变弹性体的减振器。尽管在形式

上各不相同，但可以总结为3大类：压力驱动模式、剪切模式和挤压模式。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。由于磁流变弹性体的研究还处于初步阶段，且磁流变弹性

体减振器是最近几年刚刚兴起，还没有较为完善的理论体系。目前对其的研究大

多是以试验为主，尽管试验有较高的针对性和准确性。但由于试验普适性差，很

难对减振器的初步设计有参考和指导意义。开展对磁流变弹性体在挤压模式下的

减振结构概念设计的理论模型的分析和理论研究已非常迫切。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

本课题研究的基本内容主要包括以下儿个方面：

1.查阅与磁流变弹性体研究和振动控制研究有关的国内外文献资料，然后进行整

理、归纳和总结。

2.提出挤压工作模式下基于磁流变弹性体的减振结构的概念设计方案。

3.对其中一种概念设计方案进行系统分析，研究其减振效果。

4.总结分析影响减振效果的因素。

拟解决主要问题：

1.收集国内外相关研究资料，充分了解研究现状。

2.提出基于磁流变弹性体在挤压工作下的减振结构的概念设计方案。

3.完成某•减振概念设计的系统分析，并进行相关总结分析。

三、研究的方法与技术路线：

鉴于目前国内外对磁流弹性体的相关研究都是处于起步阶段，因此，本项目

的研究工作具有相当的挑战性。拟采取的研究方法如下：

1.查阅与磁流变弹性体和振动控制有关的国内外文献,并进行整理、归纳和总结。

2.提出挤压工作模式下基于磁流变弹性体的减振结构的概念设计方案。

3.用CAD画出概念设计方案的简图。

4.利用Simulink对一种减振方案进行系统分析。

5.总结项目研究，提出进一步的研究方向和发展趋势；撰写学位论文，准备答辩。

四、研究的总体安排与进度：

2010-11-15至2010T2-20查阅中外相关文献，总结分析，完成文献综述与

开题报告。

2010-12-21至2011-01-31查阅国内外文献，完成文献翻译工作。

2011-02-01至2011-04-30设计提出挤压工作模式下基于磁流变弹性体的

减振结构的概念设计方案。

2011-05-01至2011-05-21完成减振结构的简图，并利用Simulink对其中一

种方案进行系统分析。

2011-05-22至2011-06-01总结研究工作，撰写毕业论文，准备论文答辩。

五、主要参考文献：

[1]T.Shiga,A.Okada,T.Magnetroviscoelasticbehaviorofcompositegels[J].J.

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[3]J.M.Ginder,M.E.Nichols,L.D.Elie,J.L.Tardiff.Magnetorheological

Elastomers:PropertiesandApplications[C].Pro.ofSPIE,1999,3675:131^138.

[4]J.M.Ginder,M.E.Nichols,L.D.Elie,S.M.ClarkaK.Controllable-Stifnesson

MagnetorheologicalElastomers[C].Pro.ofSPIE,2000,3985:418^425.

[5]L.C.Davis.ModelofMagnetorheologicalElastomers[J].J.Appl.Phys.,1999,

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[6]G.Bossis,C.Abbor,S.cutillas.Electroactiveand日ectro-structured

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[8]M.Lokander,B.Stenberg.PerformanceofIsotropicMagnetorh-eological

RubberMaterials[J].Polym.Test.,2003,22:245^251.

[9]Y.Shen,M.F.Golnaraghi,GR.Heppler.ExperimentalResearchandModelingof

Magnetorheologicalelastomers[J].J.Intel.Mater.Syst.Stru.,2004,15:27^35.

[10]LilianaBorcea.OscarBruno.OntheMgneto-elasticPopertiesof

ElastomerferromagnetComposites.JournaloftheMechanicsandPhysicsof

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[11]李剑锋,龚兴龙,张培强等,硅橡胶基磁流变弹性体的研制[JL功能材一料，

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[16]张磊，付永领,刘永光，何琳.主动隔振技术及其应用与发展[J].机床与液

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[17]孙红灵,张培强,张鲸.主动隔振与动力吸振器的联合减振研究[J].机械强

度.2005,27(4)：432-435.

[18]汪建晓,孟光.磁流变弹性体研究进展[J].功能材料.2006,37(5):706-709.

[19]汪建晓，王世旺，孟光.挤压式磁流变弹性体阻尼器一转子系统的振动特性

实验[J]航空学报.2008,29(1):91-94.

[20]王鸿云，郑惠强，李泳鲜.基于挤压式模式下磁流变液力学行为的实验研究

[J].仪器仪表学报.2009,30(4):848-851.

[21]付华，傅周东，吴根茂.挤压式磁流变体减振器阻尼力的分析[J].机械工程.

2003,39(2):61-65.

毕业论文文献综述

机械设计制造及其自动化

磁流变弹性体挤压工作模式减振结构的概念设计及系统分

析

摘要：磁流变弹性材料是i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i种新型的智能材.料，越来越多的引起学术界的关注。

本文主要研究的是磁流变弹性体的研究现状以及它在挤压工作下的减振结构设

计，主要阐述了国内外利用磁流变弹性体力学性能的应用研究情况。

关键词：磁流变弹性体；减振；阻尼；挤压式；隔振

1磁流变弹性体

磁流变弹性体（MagnetorheologicalElastome）是由高分子聚合物（如橡胶

等）和铁磁性颗粒组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下固化，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。它兼有磁流变材料、磁性橡

胶和弹性体的优点，又克服了磁流变液沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，因

而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。

2磁流变弹性体的国内外研究现状

日本的T.Shiga等人在1995年最早提出磁流变弹性体的概念⑴，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Jolly

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

在外加磁场作用下弹性体的剪切模量比原来增加约40%12\Ford公司的Ginder

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Davis通过研究

计算发现颗粒的最佳体积比为27%,此时颗粒磁饱和的剪切模量相对改变量约为

50%⑸。此外，法国的Bossis对电磁流变弹性体的电学、磁学特性进行了初步研

究⑹。波兰的Bednarek对磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了深入探讨,咒瑞

典的Lokander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⑻。加

拿大的Y.Shen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

Ial

其剪切模量在0.375T时分别增加了28%和8%oRice大学的Borcea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

的影响口叫此外，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、重庆大学、上海交通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，开展了磁流变弹性体

的材料选型、制备工艺、物理模型、测试方法及应用研究。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利用磁流变弹性体作为智能刚度单

元初步研制出•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

3振动隔离控制

振动隔离控制的实质就是通过在振源与受控对象之间串加上一个子系统（即

隔振

器），来减小受控对象对振源激励的响应按照控制系统有无外部能源输入，

隔振控制可分为被动隔振（无源隔振）以及主动隔振（有源隔振）“卜⑸。被动隔振控

制是一种无外加能源的控制，其控制力是由振源与系统之间安置的弹性元件、阻

尼元件甚至惯性元件以及它们组合构成的子系统等控制装置产生的。被动隔振器

的优点是结构简单、易于实现、经济性好、可靠性高，不消耗附加能量，具有普

遍的适用性。到目前为止，被动隔振控制已经在精密仪器和船舶动力等方面得到

广泛的应用“咒但是被动隔振控制一般只对某种设定频率的进行控制，抑制能

力有限，缺乏跟踪和调节的能力。对于隔振对象状态变化较大和振动干扰时变性

较强的场合不太适合。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。因此，考虑通过主动元件进行隔振越来

越受到重视。为了克服上述缺点，人们提出了主动隔振的概念口”。主动隔振是

在被动隔振的基础上，并联或串联能产生满足一定要求的做作动器，或者用作动

器代替被动隔振装置的部分或全部元件，通过适当控制作动器的运动，达到减振

的目的，它特别适用于超低频隔振和高精度的微振动隔离。主动隔振按形式可分

为完全主动隔振和主动/被动混合隔振。但是由于完全的主动隔振结构较复杂、

需消耗大量的能源，因而限制了它的应用。基于智能材料结构的混合隔振综合了

主被动隔振的优点，既可以通过被动控制系统来消耗系统的能量，又可以利用主

动控制系统达到预期的控制效果，是当前振动隔离技术的研究热点。在众多的智

能材料与结构当中，含有磁流变材料的智能结构由于能在外加控制磁场的作用下

快速可逆地改变结构的阻尼和刚度，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，在结构的主被动混合隔振装置中获

得了广泛关注。磁流变弹性体作为磁流变材料的一个新的分支，由于它是由高分

子聚合物（如橡胶等）和电导或铁磁性颗粒组成，兼有磁流变液和弹性体的优点，

并且具有比磁流变液体材料更为稳定的可控性能”咒故在振动隔离中具有良好

的潜在应用前景。

4挤压式磁流变弹性体减振研究现状

佛山大学汪建晓和华南理工大学王世旺等人利用磁流变弹性体在挤压工作

模式下的减振作用研制了一种自定心挤压式磁流变弹性体阻尼器，并测试了支承

在该阻尼器上的柔性转子系统的不平衡响应特性"”试验发现，随着磁场强度

增加，磁流变弹性体阻尼器的阻尼和刚度明显增大；转子系统的一阶临界转速明

显提高，二阶临界振动可被抑制。采用开关控制能抑制转子通过两阶临界转速过

程中的振动。研究表明，挤压式磁流变弹性体阻尼器能用于转子振动主动控制，

并具有结构简单、性能稳定、控制效果明显等特点。

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,刈。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一位移、阻力一

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。

5应用展望

目前，磁流变弹性体以其广阔的应用前景越来受到国内外的重视。因其在磁

场作用下能显著改变其弹性模量，其应用装置具有无需密封、性能稳定、响应迅

速等特点,在需要进行刚度控制的小振幅（小应变）振动系统中极具应用前景。同

时我们也看出，磁变弹性的材料性能与实际应用还有一定的差距，而且许多用研

究仅仅还只是构想。目前关于磁流变弹性体的研究尚处于实验室研究阶段,还没

有商品化的产品应用。磁流变弹性体的磁流变效应（弹性模量的变化幅度）还有

待提高,有些性能的研究还未见涉及，如温度稳定性、老化特性等。这些问题可通

过研究材料的配方得以解决。制备磁流变效应强、长期稳定性好的磁流变弹性体

是材料科学界深入研究的方向，而开发磁流变弹性体的应用则是工程科学技术人

员努力的目标。用磁流变弹性体可制成各种减振支座、悬架、冲击吸振器、隔振

器等装置,其潜在的应用的领域包括飞机起落架减振系统、直升机旋翼部件、武

器反后坐系统、精密电子设备的振动隔离、旋转机械和发电设备的支座、制造自

动化系统的运动控制等。

参考文献

[21]T.Shiga,A.Okada,T.Magnetroviscoelasticbehaviorofcompositegels[J].J.

Appl.Polym.Sci.,1995,58（4）:787^792.

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2006,28(1):15-18.

[36]张磊，付永领,刘永光，何琳.主动隔振技术及其应用与发展[J].机床与液

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[37]孙红灵,张培强,张鳏.主动隔振与动力吸振器的联合减振研究[J].机械强

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[38]汪建晓,孟光.磁流变弹性体研究进展[J].功能材料.2006,37(5):706-709.

［39］汪建晓，王世旺，孟光.挤压式磁流变弹性体阻尼器一转子系统的振动特性

实验［J］航空学报.2008,29(1):91-94.

[40]王鸿云，郑惠强，李泳鲜.基于挤压式模式下磁流变液力学行为的实验研究

[J].仪器仪表学报.2009,30(4):848-851.

[41]付华，傅周东，吴根茂.挤压式磁流变体减振器阻尼力的分析[J].机械工程.

2003,39(2):61-65.

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

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Simulink的模型，首先分析了在250mT场强条件下，分别取固有频

率的1.5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。

Abstract

ABSTRACT：Magnetorheologicalelastomerisanewcontrollablesmartmaterial

whichisamixtureofferromagneticparticlesandgel.Thisflexiblematerialofthe

biggestadvantagesistheparticlewillnotsettlewithtime,anditdoesnotneedto

seal.Magnetorheologicalelastomerunderanexternalmagneticfieldwithvariable

dampingandstiffnesscharacteristics.lnrecentyearsjtiswidelyusedinthedesign

andmanufactureofvibrationequipment.Theauthorcombinesthecurrentresearch

ofmagnetorheologicalelastomersanditsapplicationinengineering,desighsthree

dampingstructurebasedoncompressionmode.Inadditon,theauthormodeloneof

desighsbySimulinkofMatlab,andanalysisitsdampingeffect.BasedonSimulink

model,wefirstlytookthenaturalfrequencyof1.5timesand3timesasthe

excitationfrequencyfortestingthestructureofthevibrationdampingin250mTfield

conditions.Theresultshowsthattheexcitationfrequencycontrolandselectionplay

animportantroleintheoveralldampingeffectonthesystem.Secondly,wetookthe

naturalfrequencyof3timesastheexcitationfrequencyfortestingin500mTfield

conditions.Comparedwiththeeffectin250mlwegetthatcontrollingthestiffness

anddampingoftheMagnetorheologicalelastomersbycontrollingcurrentandfield

conditionsisalsoveryimportanttodampingeffect.KEYWORDS：Magnetorheological

elastomer;dampingstructure;squeezemode;VibrationAnalysis

目录

摘要..................................................................................II

目录..................................................................................IV

1引言..................................................................................1

1.1磁流变液.....................................................................1

1.1.1磁流变液的组成...........................................................1

1.1.2磁流变效应...............................................................1

1.1.3磁流变液的应用...........................................................2

1.2磁流变弹性体................................................................2

1.2.1磁流变弹性体的制备......................................................3

1.2.2磁流变弹性体的组成......................................................4

1.2.3磁流变弹性体的特点......................................................5

1.2.4磁流变弹性体的研究现状..................................................5

1.3磁流变液与磁流变弹性体......................................................6

1.4其他磁流变材料...............................................................6

1.5本论文主要工作...............................................................6

2振动控制简介.........................................................................8

2.1机械振动.....................................................................8

2.1.1机械振动定义.............................................................8

2.1.2振动的分类...............................................................8

2.1.3自由振动和受迫振动.......................................................8

2.2振动控制.....................................................................9

2.2.1振动控制概述.............................................................9

2.2.2振动隔离控制.............................................................9

3磁流变弹性体减振器..................................................................11

3.1磁流变弹性体减振器概述......................................................11

3.2磁流变弹性体减振器研究现状.................................................11

4磁流变弹性体挤压模式减振结构的概念设计.............................................15

4.1圆盘式磁流变弹性体减振器....................................................15

4.1.1设计思路................................................................15

4.1.2结构设计................................................................15

4.1.3工作原理................................................................16

4.2基于滑动轴承的磁流变减振结构...............................................16

4.2.1设计思路................................................................16

4.2.2结构设计................................................................17

4.2.3工作原理................................................................18

4.3基于轮胎联轴器的磁流变减振结构.............................................19

4.3.1设计思路................................................................19

4.3.2结构设计................................................................19

4.3.3工作原理................................................................21

5磁流变减振器减振效果分析............................................................22

5.1振动模型建立................................................................22

5.2受迫振动分析................................................................22

5.3SIMULINK仿真分析...........................................................23

5.3.1SIMULINK简介...........................................................23

5.3.2SIMULINK仿真分析.......................................................23

5.4减振分析小结................................................................29

6总结.................................................................................30

参考文献.................................................................................31

致谢....................................................................................33

附录....................................................................................34

1引言

1.1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。

1.1.1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跋基铁

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。

1.1.2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走

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。止匕外，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。

1.1.3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。

1.2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1T为磁流变弹性体样品。

图1T磁流变弹性体样品

1.2.1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1-2所示。通过这种制

成方法得到的磁流变弹性体是•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1-3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，具有十分重要的科学意义。

图1-2有磁场条件下

图无磁场条件下

1.2.2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，要求颗粒具有高磁导率。常

用的磁性颗粒一般是尺寸在l—10um的球状铁粉，尺寸较大的不规则铁粉也可

以使用。

1.2.3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。

1.2.4磁流变弹性体的研究现状

日本的T.Shiga等人在1995年最早提出磁流变弹性体的概念叫并尝试研究了

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40%⑵。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⑶支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50%⑸时颗粒的最佳体积比为

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

27%0

⑹。波兰的贝德娜雷克对磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了深入探讨⑺。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⑻。加拿大的

Y.Shen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8%叫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口叫此

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111];利用磁流变弹性体作为智能刚度单元初步研制出•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

1.3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

有不同的形态，它的工作原理和磁流变液是有区别的，如下所示：

⑴零磁场条件下，磁流变液中的铁磁性颗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。

⑵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。

1.4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。

1.5本论文主要工作

磁流变弹性体是•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，总结对减

振结构的减振效果具有重要影响的因素。

2振动控制简介

2.1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。

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3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。

2.2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

满足人们的预定要求。

2.2.1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。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。

2.2.2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1I”支通常，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M-1支某些时候，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1161o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

念叫

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。

3磁流变弹性体减振器

3.1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。

3.2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3-1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

节的可调振子网。

S3-1磁流变弹性体的汽车悬架套筒

中国科技大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

器口叫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]

O

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