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。

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。

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.

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。

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。

基于电磁和磁流变弹性体的复合隔振器设计及仿真分析

针对电磁隔振器主动控制力不足和磁流变弹性体(MRE)隔振器移频范围窄的问题,提出并设计了一种基于电磁和MRE的复合隔振器。对复合隔振器进行整体结构设计及磁路分析,通过等效磁路法得到电磁隔振系统的解析电磁力表达式。同时采用COMSOL软件对电磁隔振系统及MRE隔振系统进行磁场仿真分析,并通过Dymola动力学仿真软件对复合隔振器进行动力学仿真,分析其隔振性能。仿真结果表明,增大复合隔振器中励磁线圈电流能够增大隔振器固有频率,并且能有效削减不同激励频率下的共振幅值。

银纳米线-海绵增强磁流变弹性体多功能柔性传感器

将银纳米线包覆在海绵骨架上,植入磁流变弹性体中,成功制备了磁流变弹性体传感器。该传感器对外界施加的应变和磁场响应灵敏,其电阻随应变和磁场增加而增大,储能模量随磁场增加而增大。海绵骨架在银纳米线溶液中浸泡两次时,磁场从0mT变为200mT,电阻由400Ω变为750Ω,变化率为87.5%,响应灵敏。通过力-电-磁耦合,磁流变弹性体传感器既能监测外场变化,又能监测自身力学性能。在自身机能监测、柔性传感器中有很大的应用前景。

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。

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。

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。

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。