磁流变弹性体压缩模式下的动态力学特性及其应用研究

论文摘要

近年来,研究者们对磁流变弹性体的材料配比选择、制备方法、机理阐释等方面的研究已经取得了很大进展。但是,在磁流变弹性体性能测试及其工程应用等方面仍存在很多问题需要深入研究与探讨。目前对磁流变弹性体力学模型的研究主流方向是其微观偶极子及粘弹性力学模型,且主要集中于剪切性能,压缩性能研究较少。深入研究磁流变弹性体各条件下的动态力学特性有助于实现其更好的工程应用,如智能减振降噪、电磁传感器及主动控制等领域。针对压缩模式下测试装置内两磁极间电磁力对磁流变弹性体压力的影响,本文首次对测试装置内的电磁力进行了系统研究与分析,并基于应力应变关系,建立了更接近实际工况的磁流变弹性体压缩模式参数化修正力学模型。此外,设计了动力吸振器并对其减振性能进行了测试与研究,验证了修正力学模型的有效性。本文主要进行了以下几方面工作:首先,对新型测试装置的结构进行了设计。针对传统测试装置存在磁场调节精度不高的问题,本文基于电流与磁场的关系,采用电磁线圈作为磁场发生器,S10C钢作为导磁材料设计了新型测试装置,并运用JMAG-Designer电磁有限元软件对该测试装置进行了磁路仿真。结果表明,该测试装置内的磁感应强度基本能达到预期目标0.51T,测试装置结构与磁路设计合理。其次,对硅橡胶基磁流变弹性体进行了制备。基于磁路设计原理对制备模具的磁路进行了设计计算,并运用JMAG软件进行了仿真,结果表明,磁路设计结果能满足1T磁感应强度的需求。运用设计好的制备装置,从磁流变弹性体制备工艺的角度出发,制备出了不同体积分数的预结构化和非预结构化的硅橡胶基磁流变弹性体试样。然后,建立了硅橡胶基磁流变弹性体的动态压缩参数化修正力学模型。通过Instron8801电液伺服疲劳试验机对测试装置进行了电流-挤压厚度-电磁力关系的实验,基于实测数据,利用最小二乘法对测试装置内两磁极间电磁力进行了参数辨识,建立了电磁力的力学模型,为建立磁流变弹性体修正模型奠定基础。此外,对磁流变弹性体的微观力学模型进行了研究,探究了表征材料压缩模量,影响材料磁流变效应的因素;同时对其宏观力学模型进行了研究,探究了材料的粘弹性及超弹性等特性,对硅橡胶基磁流变弹性体的性能进行了预测,在此基础上结合电磁力的影响建立了更接近实际工况的压缩模式参数化动态修正力学模型。基于实测数据拟合出了该力学模型的未知参数,通过对比该参数化力学模型曲线与实验数据曲线可知,该参数化动态修正力学模型能很好的描述压缩模式工况下磁流变弹性体的动态力学特性。最后,测试了硅橡胶基磁流变弹性体的减振性能。基于磁流变弹性体的磁控特性及吸振器工作原理设计并加工了磁流变弹性体动力吸振器,搭建了主系统减振平台,通过调节垂直振动台的控制系统使不同外界激振频率作用于减振平台,并测得不同频率、电流下的加速度传递率。试验结果表明,通过调节电流实现了硅橡胶基磁流变弹性体动力吸振器固有频率范围的拓宽,即吸振器的有效减振频带拓宽为37.562 Hz,从而对外界激振频率进行实时追踪,进而提高其减振性能;试验过程中对第三章制备的不同含铁量磁流变弹性体试样进行了更换,发现含铁量对吸振器的减振性能有所影响,且含铁量越高,频移特性越明显,减振性能越好。本文基于电磁力对压缩模式磁流变弹性体受力的影响,重新建立了更接近实际工况的压缩模式参数化修正力学模型,有助于实现其更好的工程应用,如智能减振降噪、电磁传感器及主动控制等领域。为验证修正力学模型的合理性,设计了吸振器并测试了其减振性能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 磁流变材料
•     1.2.2 MRE的力学性能
•     1.2.3 MRE在振动控制中的应用
•   1.3 MRE研究中存在的问题
•   1.4 本文的研究目标和内容
• 第2章 新型测试装置的结构设计及其电磁分析
•   2.1 引言
•   2.2 新型测试装置的总体方案
•   2.3 新型测试装置的结构设计
•     2.3.1 测试装置的结构
•     2.3.2 材料的选取
•     2.3.3 结构参数的确定
•   2.4 新型测试装置的磁路设计与仿真
•     2.4.1 磁路设计原理
•     2.4.2 磁路计算
•     2.4.3 磁路仿真
•     2.4.4 仿真结果与分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 硅橡胶基磁流变弹性体的研制及其性能测试
•   3.1 引言
•   3.2 MRE制备材料介绍
•     3.2.1 基体材料
•     3.2.2 磁性颗粒
•     3.2.3 增塑剂
•   3.3 MRE制备模具设计
•   3.4 硅橡胶基MRE的制备
•     3.4.1 试验设备
•     3.4.2 制备方案及过程
•   3.5 硅橡胶基MRE的力学性能测试
•     3.5.1 动态力学性能测试
•     3.5.2 静态力学性能测试
•   3.6 本章小结
• 第4章 硅橡胶基磁流变弹性体的力学模型
•   4.1 引言
•   4.2 静态电磁力的力学模型
•     4.2.1 静态电磁力理论推导
•     4.2.2 静态电磁力仿真
•     4.2.3 静态电磁力测量
•     4.2.4 静态电磁力表达式
•   4.3 磁流变弹性体微观力学模型
•     4.3.1 准静态磁偶极子模型
•     4.3.2 剪切模式磁偶极子模型
•     4.3.3 压缩模式磁偶极子模型
•   4.4 磁流变弹性体宏观力学模型
•     4.4.1 磁流变弹性体的流变学模型
•     4.4.2 磁流变弹性体的唯象学模型
•   4.5 磁流变弹性体的动态压缩修正力学模型
•   4.6 本章小结
• 第5章 动力吸振器设计及硅橡胶基MRE减振性能测试
•   5.1 引言
•   5.2 硅橡胶基MRE动力吸振器的工作原理
•     5.2.1 动力吸振器减振原理
•     5.2.2 MRE动力吸振器的宽频减振原理
•     5.2.3 MRE动力吸振器设计方案
•   5.3 硅橡胶基MRE动力吸振器结构设计及仿真分析
•     5.3.1 MRE动力吸振器结构设计
•     5.3.2 MRE动力吸振器磁路设计
•     5.3.3 MRE动力吸振器磁路仿真
•   5.4 硅橡胶基MRE动力吸振器机械结构设计
•   5.5 硅橡胶基MRE动力吸振器减振性能试验
•     5.5.1 试验方案
•     5.5.2 试验设备
•     5.5.3 试验结果与分析
•   5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 柴利琴

导师: 刘少刚

关键词: 磁流变弹性体,力学性能测试,参数化建模,动力吸振器,加速度传递率

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 哈尔滨工程大学

基金: 国家自然科学基金项目,对磁流变材料在振动控制中的传递特性进行研究(批准号:51675111)

分类号: TB301

总页数: 99

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