磁流变液(Magnetorheological fluids,MRF)属于一种场效应智能材料,在外部磁场作用下MRF展现出可调节的流变特性,并在宏观上显示为可控流体粘性。基于这一力学特性,MRF半主动作动器在结构振动保护(MRF作动器、MRF悬置)、液压动力传动(MRF离合器、MRF制动器)、抛光技术(MRF抛光技术)以及医疗设备(MRF假肢、MRF触觉作动器)等领域有着广泛的研究和应用。然而,相对于快速发展的工程应用研究,MRF工作机理及力学特性的基本研究还不够完善,一方面,对于MRF自身力学特性的研究(尤其是挤压模式下MRF力学特性研究)以及MRF微观结构演变过程的理解还不够透彻;另一方面,MRF自身的非线性特性以及与作动器结构特征耦合使得MRF作动器表现出典型的磁滞行为,而精确数学模型的缺乏将大大降低系统的控制效果。因此,基于试验现象深入探究MRF工作机理、建立精确表征MRF作动器磁滞特性的数学模型对于认知MRF力学行为、扩展MRF应用范围以及实现系统有效控制都具有必要的学术研究意义和工程应用价值。针对上述问题,以挤压模式下MRF力学特性为研究对象,本文设计一套液压腔体积恒定的MRF挤压力学特性测试系统,规避了空穴效应对试验测试结果的影响,为系统性探究准静态激励和简谐振动激励下MRF力学特性奠定试验基础;试验结果及理论分析明确了高频激励下MRF力学行为,并通过一种耦合机制有效解释了准静态激励下MRF力学行为的速度响应规律;同时,为进一步提高MRF作动器磁滞力学特性建模的准确性和简便性,本文构建了一种变结构现象模型,并从磁滞广义概念及其记忆特性出发,提出了一种基于“记忆机制+形状函数”策略的构建磁滞函数方法。基于以上基础研究成果,应用MRF挤压力学特性设计了一种MRF悬置结构,并采用基于模型的前馈控制策略实现了悬置阻尼力的跟踪控制。本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下四个方面:1)液压腔体积恒定的MRF挤压力学特性测试系统。相对于开放式MRF挤压力学特性测试系统,液压腔体积恒定结构有效规避了空穴效应对测试结果的影响,系统性展示出MRF在准静态和高频简谐激励下的压缩和拉伸力学特性,为进一步分析MRF挤压力学行为奠定试验基础。2)MRF挤压力学特性试验与分析。试验结果显示在准静态激励和高频简谐激励下MRF表现出不同的力学行为,一方面,根据高频简谐激励试验结果,本文提出该工况下MRF遵循Bingham流体均匀介质行为的假设,并根据平板流动理论和MRF Bingham本构模型,综合流体粘性特性、惯性特性以及随挤压间隙变化的磁路特性,构建了高频简谐激励下MRF挤压力学特性理论模型。试验与理论分析对比验证了以上假设,并证实MRF在压缩和拉伸过程中表现出相同的结构演变方式。另一方面,低速激励范围内MRF在压缩和拉伸过程中表现出激励速度相关性,本文从微观方面提出一种MRF中磁相互作用和液压相互作用的耦合机制,并分别应用Darcy渗透理论和磁偶极子理论对两种极端工况下力学行为进行了数学推导。耦合机制分析表明,挤压模式下MR效应是基于铁磁颗粒与均匀载液间液压作用和铁磁颗粒间磁作用的平衡,液压作用会推动磁链的变形,而磁链变形产生的恢复力反作用于载液与颗粒间的相互运动,从而使得MRF力学特性表现出激励速度相关性。3)MRF作动器磁滞特性建模。根据MRF作动器磁滞特性试验结果以及磁滞特性定义,文中从两个不同层次对磁滞特性建模进行了研究。一方面,具体到MRF作动器磁滞特性建模,本文提出了一种变结构现象模型。从磁滞的速率无关特性出发,明确了MRF作动器力-位移特性曲线更加符合磁滞特性要求。通过对磁滞曲线变化趋势分析和对Spencer现象模型中集中参数物理意义研究,本文提出了一种结构清晰、表达式简便的变结构现象模型,并通过参数辨识验证了模型表征MRF作动器磁滞特性的能力。另一方面,在广义层次,针对MRF/电流变液(electrorheological fluid,ERF)作动器、压电材料及摩擦过程中出现的磁滞现象,以及对应的Bouc-Wen,Dahl和LuGre等Duhem磁滞模型,本文提出了一种“记忆机制+形状函数”的磁滞建模方法。借鉴电阻-电容(resistor-capacitor,RC)电路充放电过程中展现的磁滞现象,应用虚拟位移变量以及参考点迭代法则,构建了磁滞模型的记忆机制;在半线性Duhem模型解析解的基础上,对其进行了广义化处理,进而获得了具有较好通用性的磁滞形状函数。在以该方法构建的磁滞模型中,记忆机制揭示了这一类磁滞模型的记忆本质,而形状函数提供了更加直接、有效拟合磁滞曲线的手段。4)MRF挤压悬置应用。在上述工作基础上,本文应用MRF挤压力学特性设计了一种用于汽车动力总成悬置系统的MRF悬置。悬置原型测试结果和理论分析表明,合理应用流体惯性特性和MRF可控特性使得悬置具有较大可调动刚度范围的同时保证较小的零场动刚度,从而为实现悬置系统高频隔振和低频相对位移控制提供了可能。为表征MRF悬置力学行为,应用上述磁滞模型实现了MRF悬置可控阻尼力建模,并采用基于模型的前馈控制策略实现了悬置阻尼力的跟踪控制。