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。

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。

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。

磁流变弹性体力学性能与磁流变效应研究进展

磁流变弹性体是近些年兴起的新型智能材料,它由软磁性颗粒分散在聚合物基体中组成,其刚度、阻尼力和剪切模量等性能会随着外加磁场的改变而产生相应变化。在磁流变弹性体中,对其力学性能和磁流变效应的影响不仅仅只有外加磁场;弹性体的基体材料,基体粘度,铁磁性颗粒的大小、组成、分布和浓度以及添加剂都是其影响因素。主要综述了磁流变弹性体的力学性能与磁流变效应,以及对磁流变弹性体的力学性能与磁流变效应的影响因素进行了分析。

磁流变弹性体的性能研究

以天然橡胶为基体制备磁流变弹性体(MRE),研究MRE的Payne效应及磁感应强度和磁流变效应。扫描电子显微镜分析得出,对于羰基铁粉质量分数最大(81.67%)的MRE,羰基铁粉分布密集,出现羰基铁粉团聚现象。流变仪测试结果表明:随着羰基铁粉质量分数的增大,MRE的Payne效应和磁流变效应增强;随着应变的增大,MRE的储能模量减小,损耗因子增大。

磁流变弹性体减震器测试与力学建模

磁流变弹性体(magnetorheological elastomers,简称MRE)的力学性能呈现复杂的非线性特性,建立MRE减震器的力学模型以表征其动力学特性是进行智能振动控制应用的关键。针对有参模型参数识别困难、无参模型易陷入局部最优等问题,根据MRE减震器的力学特性试验结果,建立思维进化算法(mind evolution algorithm,简称MEA)优化的BP神经网络模型来描述MRE减震器的力学特性,并对比了参数化建模与非参数化建模的差异性。研究结果表明:线性K‑C模型仅能描述MRE减震器的线性力学特性;Bouc‑Wen模型能较为准确地表征其中心对称非线性力学特性;MEA‑BP神经网络能准确预测MRE减震器的非线性力学特性。研究成果为MRE减震器的设计及应用提供了参考。

复合橡胶基磁流变弹性体的动态力学特性研究与模型验证

本文对研发的复合橡胶基磁流变弹性体材料(MRE)的动态力学特性进行了研究,通过循环剪切试验测试了其力学性能。设计了三组剪切试验,分别研究应变幅值、加载频率、外加磁场对MRE力学性能的影响,绘制了在不同加载条件下MRE的滞回曲线,根据试验数据计算得到最大阻尼力、等效刚度、储能模量、耗散能、损耗模量和损耗因子。试验结果表明:MRE的耗能能力明显受到幅值和频率的影响,在200%的幅值和2.0 Hz的加载频率以内,其耗能能力与幅值和频率呈正相关,且其耗能能力受幅值影响比受频率影响更大;外加磁场也能提升MRE的耗能能力,但在50 mT以上的磁场强度下,此MRE性能的提升趋势明显减弱。最后采用Bouc-Wen模型对MRE的动态力学特性进行描述,通过Simulink自带最小二乘算法进行参数拟合,对拟合结果的分析表明,最大阻尼力与耗散能的最大拟合误差在10%以内,平均误差低于5%。

磁流变弹性体制备及其在精密加工应用研究进展

磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)是一种磁控智能材料,可通过调节外加磁场强度对其机械性能(如刚度、弹性模量、固有频率、阻尼能力等)进行连续、可逆的控制,在振动控制、机械工程、土木工程等领域得到了广泛的研究和应用。将MRE作为一种磨抛工具,利用磁场改变其刚度等性能来控制磨抛过程的机械去除,有望在精密加工领域得到广泛的应用。本文介绍了MRE的制备材料、制备方法和工艺,分析了外场(磁场和温度场)对MRE性能的影响规律,阐述了基于磁偶极子理论和宏观力学的本构模型,为MRE制备研究和实际工程应用提供指导,综述了MRE在精密加工领域的应用状况和未来发展方向。利用MRE的磁控性能变化可以较好地应用于精密加工,具有很好的发展前景。

磁流变弹性体薄膜曲面微结构在磁场中的形变

磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomers,MRE)是一类热力学性能、磁学性能等特性均可利用外部磁性效应来调控的智能材料。MRE薄膜是尺寸非常小的磁流变弹性体,在磁场作用下可发生拉伸、弯曲等形变。将MRE薄膜曲面微结构模型简化,通过有限元分析的方法研究MRE薄膜曲面微结构在不同磁场强度大小和不同磁场方向下的形变。分析表明:随着磁场强度增大,MRE薄膜曲面微结构的形变量增大;垂直磁场中,垂直各向异性的MRE薄膜的形变最明显;平行磁场中,平行各向异性的MRE薄膜的形变最明显。

一种磁流变弹性体执行器的联合优化方法研究

磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)执行器作为智能减振应用系统的核心元件,其结构的优化是决定执行器性能上限及系统控制成效的关键。针对目前MRE执行器优化方法及理论研究欠缺的问题,文中面向一款横向隔振的MRE执行器,基于其机械结构和有效磁路,以优越磁控性能、低功耗和快速响应时间为优化目标,提出了一种新的MRE执行器联合参数优化方法。首先,基于MATLAB和COMSOL的联合仿真,将遗传优化算法和电磁有限元分析方法进行有效结合,实现对MRE执行器的优化编程;其次,完成对器件的全局尺寸结构优化设计,使得器件具备优越磁控性能(526.21 mT)、低功耗(44.05 W)及快速响应(5.43 ms);最后,通过搭建测试系统对优化后装配的MRE执行器进行测试和评估,验证了文中优化方法的可行性和有效性。提出的联合优化方法不仅适用于MRE执行器结构,还可为多领域减/隔振应用的共性MRE器件优化设计提供理论参考。

磨料颗粒增强磁流变弹性体的磨抛应用研究

针对常规刚性磨具对复杂面型、硬脆难加工材料工件进行磨抛加工时,难以兼顾加工效率、表面质量以及完整性的问题,提出了一种基于磨料颗粒增强磁流变弹性体材料(A-MRE)的磨抛加工方法。首先,基于磁性颗粒与磨料颗粒在硅橡胶基体中的链网组装与夹持行为,设计了A-MRE材料制备工艺流程;然后,基于微观组织结构观测,建立了A-MRE材料代表体积单元(RVE)模型,结合理论分析与有限元仿真研究了磁场条件对基体软固结磨粒把持行为的影响;最后,采用A-MRE磨具对SiC材料开展磨抛加工实验,分析了不同磁场条件下的表面加工质量与材料去除效率。研究结果表明:磁场方向与A-MRE基体磁性颗粒链方向夹角为0°时磨粒把持应力最大,且随磁场强度的增加而增大,对A-MRE基体施加1.5μm压缩量时,磨粒最大把持应力可达396.63 kPa;磁场强度为0.35 T时,采用A-MRE磨具加工的SiC材料表面粗糙度比无磁场条件下的降低了80.3%,材料去除效率提高了28.6%,磨具损耗量降低了56.1%,验证了A-MRE作为弹性磨具基体材料的可行性。

新型磁流变隔震支座的力学动态性能研究

永磁体可对磁流变隔震支座提供一个初始磁场,设计一种利用永磁体和电磁线圈形成混合磁场功能的新型隔震支座,线圈产生的磁场调节永磁体的磁场以改变磁流变弹性体层的刚度,实现隔震支座的可变刚度性能。利用ANSYS Electronics软件对隔震支座进行仿真分析,模拟出不同电流强度下试验装置内部的磁感应强度、绘制其磁通量密度云图并计算其饱和点。制备羰基铁粉体积分数为23%的磁流变弹性体,研究隔震支座试验过程中励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对其剪切性能的影响。结果表明:隔震支座的刚度随控制线圈电流增强而实时降低,实现磁流变弹性体隔震支座的变刚度特性;刚度软化条件下励磁电流强度、剪切幅值及激振频率对磁流变弹性体隔震支座等效刚度及等效阻尼具有显著影响。

磁流变弹性体板材胀形过程数值分析

对板材磁流变弹性体胀形过程进行了数值模拟,比较分析了不同磁场条件下磁流变弹性体胀形过程板材速度场和应力场的分布,给出了不同磁场条件下磁流变弹性体对胀形构形的影响规律。结果表明,磁流变弹性体的剪切模量随着磁场的增加而增大,构形由椭圆形变为锥形,磁流变弹性体作为软模对板材成形性具有可调控作用,拓宽了板材软模成形的应用范围。

内置磁流变弹性体支承对AZ31镁合金拉深成形性能的影响

为了解决变形镁合金薄板容易拉裂及拉深深度不足的问题,选择AZ31镁合金圆筒件为模拟研究对象。利用磁流变弹性体(MRE)优异的可逆性和可控性,将其内置于凹模处,并结合复位弹簧等设计了一种支承模。以减薄率、拉深成形极限为指标,讨论了磁流变弹性体支承对板材拉深成形性能的影响。结果表明:内置支承模能改善板材拉深成形过程中材料的流动性;相较于没有磁流变弹性体支承,在通入电流较大情况下,磁致法向力大,内置支承模主要起支承作用,此时最大减薄率减少6.96%,成形极限深度达到6.4 mm,增长10.34%;在通入电流较小时,磁致法向力小,内置支承模主要起缓冲作用,此时最大减薄率减少7.22%,成形极限深度达到6.6 mm,增长13.79%,这极大提高了镁合金的利用率。

基于Bouc-Wen模型等效线性化的磁流变弹性体调谐质量阻尼器优化设计

大多高柔结构属风敏感结构,在脉动风荷载作用下会产生较大振幅,从而影响结构的安全使用和正常运行。因此,该类结构的风致振动问题应该进行分析和控制,保证结构的安全使用和正常运行。TMD通过与主结构调谐共振从而降低结构的响应,采用MRE材料制成的MRE TMD具有和TMD相同的被动控制效果。为了保证被动MRE TMD在调谐减振中保持最佳的减振效果,本文以施工桥塔为研究对象并通过等效线性化对MRE TMD进行了优化设计,然后通过谐波叠加法进行风荷载的模拟,最后通过数值分析进行了MRE TMD在风荷载作用下的减振效果研究。研究表明,采用Bouc-Wen模型等效线性化进行MRE TMD优化设计的结果可靠且有效,且优化后的MRE TMD不仅保留了原有的变频调谐性能,同时具有很好的脉动风致振动控制效果。

磁流变弹性体扣件弹性垫板制备及弹性可调性能研究

由于轨道扣件弹性垫板的刚度特性对车辆-轨道耦合动力作用等关键问题均会产生较大影响,其刚度指标的适配性问题一直是轨道结构方面的研究重点。亟需一种刚度特征可调的扣件弹性垫板,从而根据线路区段的运行条件对不同刚度的适应性进行评估。为实现垫板刚度的实时调整,结合磁流变弹性体材料的弹性可变特性,以天然橡胶及顺丁橡胶作为基体,设计并研制了刚度可调的扣件磁流变弹性垫板。同时,通过动、静力学性能试验研究不同配方的磁流变弹性体材料磁致力学性能,及磁流变弹性垫板在外加不同强度磁场下的动、静刚度调整量。研究结果表明:在压缩交变载荷下,所制备的天然橡胶基磁流变弹性体材料的储能模量随着外加磁场的增高而增大,而损耗系数随外加磁场的增高而减小,具有明显的磁流变效应。其磁致力学性能与羰基铁粉的粒径有关,当采用粒径D_(50)为5μm的羰基铁粉时,其磁流变效率可以达到69%。通过施加磁场,磁流变弹性垫板的动、静刚度显著增大,且在磁感应强度大于0.2T后成线性增长。在20kN至70kN的垂向载荷下,其静刚度可从26.1 kN/mm增加至36.6 kN/mm,增幅达到40%,而其动刚度从54.3k N/mm增大至83.5kN/mm,增幅达到50%。根据WJ7橡胶弹性垫板现场的服役情况,磁流变弹性垫板可用于模拟现场服役至5~6a的垫板刚度劣化特征。

磁流变弹性体相关专利分析

磁流变弹性体材料是在磁流变液的基础上发展而来,本文研究了与磁流变弹性体材料相关的专利技术发展态势。利用Incopat全球专利数据库,从全球和我国磁流变弹性体专利申请趋势、各国专利申请量对比、磁流变弹性体重要申请人及其专利申请量、全球和我国技术领域分布情况、国内外部分重要申请人的相关专利分析几个方面进行了检索分析,为我国磁流变弹性体材料研究提供信息和参考。

混合式磁流变弹性体隔振器磁场仿真分析

磁流变弹性体是磁流变材料的一个新分支,其动态力学性能及流变特性等可通过外加磁场控制,从而广泛应用于各种振动控制领域。本文设计了一种混合式磁流变弹性体隔振器,对其结构尺寸和磁通路径进行了设计计算,推导出了磁阻计算方法。采用Ansys Maxwell软件对隔振器进行磁场仿真分析,观察磁力线分布及平均磁感应强度变化。结果表明在通入2A电流时,剪切和挤压磁流变弹性体的平均磁感应强度分别为521 mT和390 mT,符合预期目标。

混合式磁流变弹性体隔振器磁路设计及磁场仿真分析

磁流变弹性体是磁流变材料的一个新分支,可通过外加磁场来控制其流变特性。基于磁流变弹性体的隔振器具有响应迅速、无需密封、性能稳定等优点,在小振幅隔振系统中极具应用前景。分析了基于混合式(剪切与拉压的组合工作模式)磁流变弹性体隔振器磁路设计中的相关问题,研究了隔振器的磁路计算方法。同时,利用Ansys Maxwell电磁场仿真中的2D和3D静磁场模块对隔振器的工作磁路进行仿真分析验证。仿真结果有助于进一步优化磁路结构,对于隔振器的设计开发具有十分现实的指导意义。

外加磁场强度对磁流变弹性体特性影响的实验分析

制备3个不同质量分数磁性颗粒各向异性的样品,测量其在不同外加磁场强度下的剪切模量和韧性,并实验分析外加磁场强度对磁流变弹性体特性变化趋势的影响。结果表明:随着外加磁场强度的增强,磁流变弹性体的剪切模量会增大,韧性却会减小;对于不同羰基铁粉质量分数的磁流变弹性体,磁场强度变化对剪切模量影响较小,对韧性的变化影响大,当磁场强度变化50mT时,韧性变化量差值最大可达49%。