磁流变弹性体对宽频激励平台隔减振研究

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磁流变弹性体(MagnetorheologicalElastomers-MRE)是磁流变材料的一个新的分支。它是由磁性颗粒和高分子聚合物基体构成,与其它磁流变材料类似,其典型特征是模量和阻尼等性能可由外加磁场来控制,且响应快(毫秒级)、可控性好。目前,已有研究者利用磁流变弹性体变刚度这一特性,设计了基于结构移频原理的动力吸振器和汽车悬挂轴衬等器件,这意味着磁流变弹性体在振动控制等工程领域具有良好的应用前景,但距离磁流变弹性广泛应用工程化还有很大差距:一方面磁流变弹性体的磁致效应需要提高;另一方面其综合性能亦要考虑,如:机械性能、老化性能等。而目前多数研究者仅考虑如何提高其磁致效应,忽略了其阻尼和机械性能。对于磁流变弹性体微观机理研究,现有模型在考虑磁性颗粒间磁致作用时,少有考虑颗粒间距对其磁致作用的影响,并且磁流变弹性体宏观力学模型方面的研究相对更少。  本文以研制高性能磁流变弹性体、建立其微观和宏观力学模型、设计用于平台结构振动控制的隔减振装置为目的,围绕其开展了磁流变弹性体的制各、力学性能试验与分析、微观机理及宏观力学行为等相关理论和试验研究。基于以上工作,对用于平台结构振动控制的磁流变弹性体隔减振装置进行了磁路优化与分析;并对加入MRE隔减振装置的隔减振平台系统进行了动力反应数值仿真分析及其参数优化分析。以下是本文研究的主要内容及结论:  (1)在课题组长期以来对粘弹性材料及磁流变液研究的基础上,研制了以天然橡胶和溴化丁基橡胶为基体的磁流变弹性体,并讨论其工业化制备工艺。  (2)对研制的磁流变弹性体进行了相关力学性能测试,分析了外加磁场强度、频率、应变幅值、羰基铁粉含量及预结构化对其磁致剪切模量和损耗因子的影响。从物理机械性能、准静态力学性能及动态力学性能测试结果来看,所研制的磁流变弹性体在不降低磁致效应情况下,具有良好的机械性能及阻尼特性。  (3)通过讨论颗粒间距对颗粒间磁致作用力的影响,基于磁偶极子理论,提出了能够反映磁流变弹性体内磁性颗粒不同分布形式的微观物理模型——主链吸附模型,并推导了磁致剪切模量的计算公式。理论及试验结果表明,该模型计算结果与试验值吻合较好。  (4)在一般粘弹性材料力学模型的基础上,引入非线性弹簧单元及分数阶导数粘壶单元,提出了磁流变弹性体的磁致粘弹性参数模型,用来描述其在外加磁场下的磁致粘弹性力学行为。利用动态性能试验结果对所提出的参数模型进行参数识别,并将模型计算结果与试验结果进行比较,发现二者吻合较好,这说明该模型能够用来描述磁流变弹性体在外加磁场下的磁致粘弹性力学行为。  (5)设计了一个用于平台结构振动控制的磁流变弹性体隔减振装置。利用AnsoftMaxwell软件,对磁流变弹性体的相对磁导率及磁化饱和点进行了有限元计算分析,并对该装置的磁路结构进行了设计及参数优化。最后,对优化后的磁流变弹性体隔减振装置进行了磁场有限元分析,分析了装置的磁场分布情况。分析结果表明,所设计装置的磁路结构比较合理。  (6)采用“多道防线”措施的平台结构隔减振方案,建立了该平台结构的动力分析模型及运动方程。结合所提的平台结构智能控制策略,对加入MRE隔减振装置的平台结构进行了动力反应仿真分析。仿真结果表明:所设计的隔减振平台系统,可以有效地降低平台结构在整个频域内,特别是低频段内(0~10Hz)的动力响应,与被动控制相比,本文所采取的隔减振方案具有良好的振动控制效果。  (7)采用遗传算法,对影响平台结构隔减振控制效果的参数进行了优化分析。对优化后的隔减振平台系统进行了动力反应仿真分析,结果表明:优化后平台结构的振动控制效果明显比优化前得到了提高,并且所优化的参数对正弦激励和白噪声激励同样适用。  本文的创新之处在于:  (1)研制了机械性能优越且磁致效应良好的磁流变弹性体,其中溴化丁基橡胶基磁流变弹性体的损耗因子高达0.68。  (2)提出了反映磁流变弹性体内部磁性颗粒分布形式不同的主链吸附模型,可更为精确地计算其磁致剪切模量;并以此为基础提出了可准确描述磁流变弹性体宏观力学行为的分数阶导数磁致粘弹性参数模型。  (3)提出了磁流变弹性体隔减振装置用于宽频域激励平台结构的智能控制策略,并对该隔减振平台系统进行了振动控制分析。
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