磁流变弹性体变刚度机理及其应用研究

论文摘要

磁流变弹性体是磁流变材料中新的一员,是磁流变液的固体模拟,它主要由橡胶基体和可磁化铁颗粒组成。可磁化颗粒弥散在橡胶基体中,在外加磁场作用下形成有序排列结构,并被根植在固化后的基体里。因此在磁场的作用下,磁流变弹性体的力学、电学、磁学诸性能可发生连续的、迅速的和可逆的变化。由于磁流变弹性体在兼具磁流变材料可控特性的同时,还具有无需密封、性能稳定、响应迅速等优点,因此在航空航天、运载车辆和土建结构的减振缓冲控制领域有着巨大的应用潜力。本文探讨了磁流变弹性体流变效应的微观模型,计算得到了颗粒链倾斜角、磁场强度、剪应变与材料剪切模量的关系。在开尔文模型的基础上,改进了表征磁流变弹性体力学特性的粘弹性模型,进而设计出一款基于磁流变弹性体的隔振缓冲器,并进行系列性能实验验证。具体内容包括:①分析了磁流变弹性体颗粒铁磁性和基体粘弹性,在偶极子和耦合场模型基础上,结合颗粒链剪应变的大小,计算得到了三种不同情况下的颗粒链对磁流变弹性体磁致效应的影响。计算结果表明,随着颗粒链的倾斜角的增大,磁流变弹性体的磁致效应将减小,因此在材料制备过程中应采取相应措施减小颗粒链的倾斜角。②提出了一个磁流变弹性体的宏观粘弹性参数模型,计算了磁流变弹性体的磁致剪切模量、损耗模量和损耗因子。利用改进的动态机械分析仪(DMA)对磁流变弹性体样品进行了不同磁场、不同频率的剪切储能模量、损耗模量和损耗因子的测量,实验结果验证了粘弹性模型的合理性。③利用磁流变弹性体变刚度特性设计出一款磁流变弹性体隔振缓冲器,分析了隔振缓冲器的隔振原理,搭建了单自由度的自由跌落缓冲实验系统,并对磁流变弹性体隔振缓冲器在不同跌落高度和磁场情况下的最大响应加速度进行了测试。实验结果表明,随着外加磁场的增加,隔振缓冲器的响应加速度减小,达到了隔振缓冲的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 磁流变弹性体概述
• 1.1.1 磁流变材料
• 1.1.2 磁流变弹性体
• 1.2 磁流变弹性体的国内外研究现状
• 1.3 磁流变弹性体隔振缓冲器的研究意义
• 1.4 本文的研究任务
• 1.5 本章小结
• 2 磁流变弹性体变刚度机理研究
• 2.1 磁流变弹性体的磁致特性
• 2.1.1 磁流变弹性体的颗粒铁磁性
• 2.1.2 磁流变弹性体的基体粘弹性
• 2.2 磁荷法理论
• 2.3 磁流变弹性体的微观模型研究
• 2.3.1 偶极子模型
• 2.3.2 耦合场模型
• 2.3.3 基于斜链的耦合场修正模型
• 2.4 本章小结
• 3 磁流变弹性体粘弹性模型建模
• 3.1 粘弹性材料的力学行为及常见模型
• 3.1.1 材料的粘弹性行为
• 3.1.2 表征粘弹性力学行为的两种基本元件
• 3.1.3 Maxwell 模型
• 3.1.4 Kelvin 模型
• 3.2 磁流变弹性体粘弹性模型研究
• 3.3 磁流变弹性体的剪切性能测试
• 3.3.1 测试装置和原理
• 3.3.2 测试数据分析
• 3.4 本章小结
• 4 磁流变弹性体隔振缓冲器设计及实验研究
• 4.1 磁流变弹性体隔振缓冲器的结构及磁路设计
• 4.1.1 磁流变弹性体的工作模式
• 4.1.2 隔振缓冲器的结构设计
• 4.1.3 导磁材料的选择
• 4.1.4 励磁线圈匝数的确定
• 4.1.5 磁流变弹性体剪切面积、厚度的确定
• 4.1.6 磁路的磁饱和分析
• 4.2 磁流变弹性体变刚度特性对隔振缓冲器响应加速度的影响
• 4.2.1 磁流变弹性体隔振缓冲器的隔振原理
• 4.2.2 磁流变弹性体隔振缓冲器响应加速度测试方法
• 4.2.3 磁流变弹性体隔振缓冲器响应加速度测试系统的搭建
• 4.2.4 实验结果及分析
• 4.3 磁流变弹性体变刚度特性对磁流变弹性体剪切位移的影响
• 4.3.1 磁流变弹性体隔振缓冲器的数学模型
• 4.3.2 磁流变弹性体隔振缓冲器的仿真
• 4.3.3 仿真结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结及展望
• 5.1 本文完成的主要工作
• 5.2 需进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录