磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

基于分数阶Zener模型的VTI黏弹性介质频变Q效应数值模拟

黏弹性是地球介质的基本属性.地震波在黏弹性介质中传播会发生振幅衰减和速度频散,导致能量和走时出现变化,影响地震资料的准确成像及解释.因此,研究地震波在黏弹性介质中的传播规律具有重要意义.当前,主要利用常Q(不随频率变化)模型(CQM)表征地震波在地球介质中的传播规律,与高温、高压或含流体介质中观测到的Q随频率变化规律不符.基于分数阶Zener模型(FZM),通过改变分数阶大小,本文研究了Q的频变特性随分数阶的变化规律.考虑速度和Q各向异性,推导了VTI介质的FZM黏弹性波方程,提出了VTI介质的频变Q效应数值模拟方法.数值算例表明:当Q随频率变化较小时,FZM与CQM方法的结果相似;当Q随频率变化剧烈时,FZM与CQM方法的模拟结果差异较大.

气井定产量和变产量弹性二相法的通式及应用

对于受封闭边界控制的气体流动,当气井完成试气和关井取得原始地层压力之后,若以某稳定产量开井生产,测试的井底流压的压降曲线,根据压力动态的变化特征,可划分为非稳态阶段、过渡阶段和拟稳态阶段。其中的拟稳态阶段,称为弹性二相法阶段。在弹性二相法阶段的井控范围内,井底流压呈等速下降。本文基于陈元千提出的压力一次方、压力平方和拟压力表示的定产量弹性二相法,以及基于Blasingame提出的压力一次方表示的变产量弹性二相法,分别建立了气井定产量和变产量弹性二相法的通式。通过实例的应用表明,两个通式是实用有效的。

循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金马氏体相变超弹性的影响

采用拉拔变形及低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的Ti_(50)Ni_(48)Fe_(2)(原子分数)记忆合金丝材,通过拉伸实验机研究了拉伸应变为6%及20次循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金应力诱发马氏体相变超弹性的影响。结果表明:当循环变形次数由1次增加至20次,纳米晶TiNiFe合金马氏体相变的超弹应力由871 MPa减小至723 MPa,残余应变由0.53%增加至0.73%。本文中的纳米晶TiNiFe合金在循环变形后呈现出高超弹应力和小残余应变,明显优于已经报道的TiNi记忆合金。这主要是由于纳米晶TiNiFe合金中高密度晶界产生的细晶强化和Fe元素产生的固溶强化,由此抑制了合金中位错的产生从而提高了马氏体相变的超弹稳定性。

面向软体机器人的磁流变弹性体变刚度模型研究

软体机器人在柔性抓取时存在手爪刚度单一不足的情况,而且磁流变弹性体的变刚度范围有限,本文提出了一种变刚度范围大的磁流变弹性体模型。在磁流变效应基础上设计了一种以磁流变弹性体为主体材料的“菱形”变刚度模型,并给出了3D打印模型与铸造技术工艺。通过电磁铁产生的磁场,构建了一种磁-力耦合模型,分析了“菱形”变刚度模型主要刚度变化关系,探索了影响模型变刚度的因素。通过建立的实验平台,结果表明:本文提出的“菱形”模型可以大幅提高磁流变弹性体的变刚度范围,并且可以实现通过控制电流大小来控制模型的刚度大小,含有3个“菱形”结构的模型在磁场下刚度变化的百分比可以高达约58%,可使磁流变弹性体作为类“皮肤”应用在软体机器人手爪上。

具有智能蒙皮潜质的磁流变弹性体磁力学特性

变体飞机的难点之一在于变形机翼,而变形机翼的难点之一在于变形蒙皮,其中后者的研究难度长期以来被忽视。以往很多变形翼蒙皮的研究与设计中,一般更加关注基于力学特征的智能材料。本文从变体结构中的变形蒙皮特性与需求出发,简述了变形蒙皮的研究进展,论述了磁流变弹性体(MRE)的概念、材料组成以及功能等内容,以及磁流变弹性体磁力学的相关表征。

形变热处理对Ti-Nb-Zr合金组织及超弹性行为的影响

Ti-Nb-Zr合金具有低弹性模量、高强度以及优异的生物相容性,在生物医用材料领域备受关注。Ti-Nb-Zr合金的超弹性归因于β↔α″相变。综述了Ti-Nb-Zr合金的弹性模量和超弹性的影响因素及变化规律。通过添加合金元素来调整相变温度和滑移临界应力,应力诱发马氏体相变更易发生,β相塑性变形延迟出现,获得更大的相变应变和恢复应变。总结了Ti-Nb-Zr合金的形变热处理与超弹性效应之间的关系和作用机制。冷轧后短时间热处理可以增加位错滑移的临界应力、避免其他相(ω或α相)的生长,保持β相的稳定性、提高合金的恢复应变和超弹性。

气动可变刚度弹性轴结构原理和实验分析

为解决传统柔性机器人承载能力不足的问题,结合颗粒堵塞原理,提出一种正压驱动变刚度弹性轴。分析此弹性轴的变刚度机制,基于变刚度弹性轴样机搭建实验平台,通过实验分析不同因素对弹性轴刚度影响。实验结果表明:弹性轴填充钢珠和无填充物对比,弹性轴刚度提升2.1倍;弹性轴环形密闭腔体越大,填充颗粒越多,弹性轴刚度越强;内气囊管径越大,弹性轴刚度越强;在充入气压分别为0、0.3 MPa时,填充经磨砂处理的钢珠弹性轴的刚度提高3倍,填充ABS不规则形状弹性轴的刚度提高4.3倍。

基于黏弹性Chapman-Kelvin模型的裂缝储层频变AVAZ反演研究

为了在地震资料和裂缝储层特征之间建立联系,对裂缝储层采用了等效介质模型.而传统的等效介质模型未充分考虑非完全弹性介质理论和基于频变各向异性理论的双相或多相流体假设,也不能对实际裂缝储层中的地震波频散和衰减现象提供准确合理的解释,并且储层参数的反演研究对裂缝储层的定性预测和定量描述举足轻重.为此,本文首先根据所提出的黏弹性Chapman-Kelvin动态等效介质模型,该模型考虑了耦合的双相流体假设、黏弹性理论、喷射流以及斑块效应,并在此基础上分析了裂缝储层参数(主要为裂缝密度、裂缝长度、孔隙度和含水饱和度)对地震波频变特征的影响.然后基于黏弹性Chapman-Kelvin模型与Schoenberg和Protazio概括的Zoeppritz方程所计算出的频变反射系数,分析了反射PP波和PS波的频变AVAZ(Amplitude Versus Angle and Azimuth)特性和PP波频变反射系数与裂缝储层参数的关系.同时考虑到发生地震频散时,反射系数和频率产生关系,构建了在角度、方位和时间域内的新型正演方程.最后,基于PP波频变反射系数对裂缝密度、裂缝长度、孔隙度和含水饱和度的变化有较好的敏感性特点,进行了两种反演方法研究:其一是基于贝叶斯理论直接反演方法,其中以对数绝对范数作为似然函数和高斯分布,即L2范数度量作为先验约束;其二是基于频变反射系数的MCMC(Markov Chain Monte Carlo)随机反演方法.通过频变AVAZ进行裂缝储层参数的反演研究,结果表明,MCMC随机反演方法在缺失先验的储层参数信息时,反演结果的不确定性较强.当存在有效且足够的先验信息时,反演结果的可靠性进一步提升.而基于贝叶斯理论直接反演方法,则显示出基于频变AVAZ来区别大尺度裂缝和微尺度裂隙的潜力.

外加载荷对热弹性马氏体正-逆相变影响机制的相场模拟研究

本工作建立了一种新的马氏体逆相变的相场模型,以Cu-Al-Ni合金为例,研究了热弹性马氏体正相变和逆相变的演化规律,揭示了热弹性马氏体的形状记忆效应。同时模拟了拉伸释放弹性应变能这种机制对热弹性马氏体相变和热弹性马氏体逆相变的作用,研究了外加载荷对马氏体逆相变温度As的影响。模拟结果表明:应变能是形状记忆合金马氏体相变的阻力,是其逆相变的驱动力。在马氏体正相变过程中,拉伸载荷释放了应变能,降低了相变阻力,从而对马氏体相变起促进作用;在马氏体的逆相变过程中,由于拉伸载荷降低了马氏体所储存的应变能,因而降低了逆相变过程的驱动力,使合金逆相变As温度升高,进而提高了热弹性马氏体的低温稳定性。模拟结果与实验结果相一致。

多级线圈驱动的磁流变弹性体夹层梁结构设计与实验

梁结构存在于建筑桥梁、飞机壁板等多种工程中,由于其低刚度、低阻尼特性,易产生低频大幅振动,造成结构疲劳损伤甚至破坏。针对传统夹层梁的结构参数固定、自适应性差等问题,提出基于磁流变弹性体的磁控智能夹层梁结构,能够在磁场作用下根据外界激励的变化,自适应调整结构的刚度和阻尼,实现振动的有效抑制。首先,针对传统夹层梁磁场施加困难、在空气中磁场衰减大等问题,提出内置多级线圈驱动的磁控夹层梁结构;其次,基于磁流变弹性体材料特性,分析了器件减振机理。最后,通过COMSOL仿真对磁控夹层梁进行磁场仿真,发现在3 A电流的作用下夹层梁的一阶固有频率由6.22 Hz变为9.16 Hz,阻尼比增大64.4%,验证了磁流变弹性体夹层梁的变刚度、变阻尼特性。通过多个频率激励实验验证了内置多级线圈驱动的磁控夹层梁的宽频隔振性能。

基于机器学习的磁流变弹性体磁致储能模量的快速准确表征

磁流变弹性体在振动控制领域展现出巨大的潜力,但其磁致力学性能的测量过程往往需投入较高的人工与时间成本.本研究旨在利用机器学习方法在小样本试验数据驱动下实现磁流变弹性体磁致力学性能的快速准确预测.基于加装可控磁场的剪切流变仪测试了磁流变弹性体(9种配比,4种加载频率)的磁致储能模量.每种样品取5个测试点作为训练集并搭建支持向量回归机器学习模型,从而表征磁流变弹性体的磁致储能模量.结果表明,相较于典型的理论模型,SVR模型仅使用5个样本点即可更准确表征磁流变弹性体磁致储能模量,相关系数高达0.998.另外,SVR模型训练时间仅为0.02 s,可显著加速磁流变弹性体表征的进程.更重要的是,SVR模型具有良好的泛化性,对于不同硅油配比和不同加载频率的磁流变弹性体预测结果的相关系数仍可达0.998以上.因此,机器学习模型可实现磁流变弹性体磁致储能模量的快速准确表征,为新型磁流变材料的研发提供参考.

折叠翼飞行器气动弹性变体飞行仿真平台

折叠翼飞行器的变体过程伴随质量分布、刚度分布及气动载荷分布的大幅动态变化,是一个高度复杂的动力学过程。为实现该过程各种动力学问题的有效分析,基于共享内存技术开发了一套高性能的耦合计算程序,并在此基础上整合了Adams多体动力学计算软件、非定常气动力计算程序及飞行控制技术,搭建了折叠翼的气动弹性变体飞行仿真平台。基于该平台,对折叠翼进行了气动弹性分析和飞行变体过程仿真,验证了平台强大的计算和分析能力。

浅表淋巴结结核病变诊断中超声弹性成像联合超声造影的应用价值分析

目的探讨超声弹性成像(UE)联合超声造影(CEUS)、常规超声诊断浅表淋巴结结核病变价值及与病理结果的一致性。方法选取135例疑似浅表淋巴结结核病变患者均行UE、CEUS、常规超声检查。统计超声检查结果,以穿刺病理诊断结果为“金标准”,对比分析UE+CEUS、常规超声诊断浅表淋巴结结核病变的价值,并分析UE+CEUS、常规超声检查对钙化的检出率及诊断不同分型浅表淋巴结结核病变与病理结果的一致性。结果UE+CEUS诊断浅表淋巴结结核病变的敏感度、特异度、准确度分别为97.96%、91.89%、96.30%,其中敏感度、准确度均高于常规超声检查,差异有统计学意义(P<0.05);UE+CEUS对钙化的检出率(100%)高于常规超声检查(86.96%),差异有统计学意义(P<0.05);UE+CEUS诊断病变淋巴结分型与病理结果的一致性Kappa值为0.941(95%CI为0.816~1.066),符合率为95.83%,差异有统计学意义(P<0.05)。结论UE+CEUS诊断浅表淋巴结结核病变的敏感度、准确度明显高于常规超声检查,且能准确检出钙化灶,诊断浅表淋巴结结核病变分型与病理结果的一致性较高。

基于变差分系数的变网格弹性波全波形反演

全波形反演充分利用地震波传播的振幅、相位和旅行时等信息,相较于旅行时层析能够获得分辨率和精度更高的反演结果。当浅层介质速度较低时,为了保证正演模拟精度,通常需要使用较细的网格对低速层进行采样。然而,对整个模型用细网格剖分会导致巨大的计算量以及存储量,同时模型的高速区域也会产生过采样现象,这些问题会在全波形反演过程中被进一步放大。为了避免这些问题,引入了一种基于变差分系数的变网格弹性波动方程有限差分正演模拟方法。首先,基于Taylor展开式推导了变网格波场模拟的差分系数,实现了变网格波场模拟;其次,将变差分系数正演模拟方法应用于全波形反演中的正演模拟、残差反传和波场重构中,实现了基于变差分系数的变网格弹性波全波形反演。在全波形反演时,分别采用多尺度反演策略和常规的共轭梯度法迭代求解。使用细网格剖分速度较低的浅部低速层和粗网格剖分速度较高的中深层,既可以保证浅层的反演精度,又可以避免中深层的过采样。模型数据反演结果表明,基于变差分系数的变网格全波形反演相较于均匀粗网格全波形反演可以更有效实现低速异常体的准确刻画。含噪数据测试表明,提出的全波形反演方法具有较强的抗噪性。

各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型

各向同性磁流变弹性体是一种将磁性颗粒随机掺入到聚合物基体中制备而成的智能材料。在磁场作用下,其模量发生快速、可逆、连续变化,在振动控制领域显示出良好的应用前景。实验结果表明,各向同性磁流变弹性体的动态力学行为具有很强的频率、应变幅值和磁场相关性。尽管上述行为对于其潜在应用具有重要的影响,但目前关于各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的理论研究则关注不够。为准确评价各向同性磁流变弹性体的动态力磁耦合行为,并指导其相关产品的设计,本文建立了一个基于连续介质力学理论,反映各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型。随后,开发了和本构模型对应的数值实现算法,并对模型的预测能力进行了验证。该模型有助于深入理解各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的潜在力学机制。此外,该模型有助于指导基于各向同性磁流变弹性体产品的设计和应用。

退火温度对TiNi记忆合金马氏体相变超弹性能的影响

采用X射线衍射仪、差示扫描量热法、透射电镜和拉伸试验等研究了退火温度对拉拔变形后的TiNi记忆合金的微观组织、马氏体相变应力、回复应变、残余应变、吸收能量、储存能量及耗散能量的影响。结果表明:当退火温度由350℃升高至550℃,TiNi记忆合金的平均晶粒尺寸由15 nm增大至400 nm,马氏体相变应力由766 MPa降低至115 MPa,回复应变由6.7%减小至0.8%,残余应变由1.3%增大至7.2%,马氏体相变的吸收能量由50.6 MJ/m^(3)减小至8.6 MJ/m^(3),马氏体相变的储存能量由15.7 MJ/m^(3)减小至0.8 MJ/m^(3),马氏体相变的耗散能量由34.9 MJ/m^(3)减小至8.0 MJ/m^(3)。分析认为退火温度对上述TiNi记忆合金马氏体相变超弹性能的影响主要是因为随着退火温度的升高,TiNi记忆合金的晶粒尺寸增大,晶界密度降低,由此降低了合金应力诱发马氏体相变的阻力,进而影响其超弹性能。

基于磁流变弹性体动力吸振器的掘进装备振动控制

针对掘进装备在自适应截割控制下的截割部宽减振问题,基于磁流变弹性体的动力吸振技术,提出了一种掘进装备截割部的振动控制方法。首先,以连续采煤机为研究对象,根据动量矩定理,建立了截割部-磁流变弹性体动力吸振器(MREDVA)耦合动力学模型,从理论上分析了MREDVA的减振机理;然后,为保证MREDVA的磁路以及移频特性满足需求,详细阐述了MREDVA的设计流程,提出了一种新的MREDVA结构,对其磁场和移频特性进行了仿真验证;最后,计算了不同截割状态下MREDVA对截割部的振动抑制能力,并建立了半主动控制方法,比较了被动和半主动振动控制方法下MREDVA的振动抑制能力。研究结果表明:对于所选煤层1和煤层2,截割部的振幅衰减分别达到41.53%和49.80%;对于所选煤层3,半主动控制下截割部振幅衰减可以达到45.10%。该方法可以有效降低掘进装备在宽频激励下的振动幅度。

基于变分模态分解的弹性参数核密度估计方法

概率密度建模是地震随机模拟中至关重要的环节,而弹性参数高频成分的概率密度估计决定了高分辨率地震随机模拟结果的精度。针对常规方法中弹性参数高频成分提取精度不足、概率密度建模先验条件过度约束以及弹性参数的概率密度建模分层设计等问题,提出了一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)的弹性参数核密度估计方法。该方法首先采用VMD对测井弹性参数数据进行模态分解,筛选出本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)中的高频项叠加得到测井弹性参数的高频成分;然后使用核密度估计分层计算得到高频成分的概率密度模型,并通过该模型进行随机抽样生成随机高频成分叠加至井旁地震数据上以达到丰富地震弹性参数数据高频内容的目的。珠江口盆地34号井区的实验结果显示,VMD有效分离出了中心频率在70 Hz以上的测井弹性参数高频成分,分层设计的核密度估计方法凸显了高频成分的统计规律,叠加随机高频成分后地震弹性参数70 Hz以上的高频成分得到了明显补充。该方法为地震高分辨率随机模拟提供了新的思路。

单晶SiC磁流变弹性抛光垫的磁控抛光性能研究

将智能可控材料磁流变弹性体(MRE)作为化学机械抛光中的抛光垫,研究不同磁控参数(颗粒类型、颗粒质量分数、颗粒粒径、固化磁场强度)的MRE抛光垫对单晶SiC的磁控抛光效果,并分析MRE抛光垫的磁控材料去除机制。结果表明:相比四氧化三铁磁性颗粒,羰基铁粉(CIP)磁性颗粒制备的MRE抛光垫,在抛光SiC时材料去除率(MRR)提高了52.2%;CIP质量分数越大,抛光的MRR越大,表面粗糙度越小,抛光的表面质量越好,因为CIP质量分数高时具有更大的材料模量和更多的CIP颗粒接触;不同磁性颗粒粒径的MRE抛光垫磁控抛光效果差异并不大,粒径通过颗粒的大小和接触概率影响着抛光加工的去除效果,这和表面的接触状态有关;相比各向同性MRE,施加固化磁场制备的各向异性MRE能获得更好的磁控抛光效果;在固化磁场为140 mT时制备的MRE抛光垫具有最好的抛光效果,其在抛光磁场为335 mT的条件下,可使SiC的MRR相比无磁场抛光时提升31.0%,表面粗糙度下降50.0%。MRE抛光垫磁控抛光材料的去除机制为,外加磁场增加了MRE抛光垫的机械力学性能,磨料对SiC表面具有更大的切削力和正压力,从而能够获得更大的材料去除。