基于磁流變彈性體的緩沖裝置設計及其沖擊響應特性研究

朱 秘， 余 淼， 浮 潔, 綦 松， 楊平安

(重慶大學 光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室， 重慶 400044)

基于磁流變彈性體的緩沖裝置設計及其沖擊響應特性研究

朱 秘， 余 淼， 浮 潔, 綦 松， 楊平安

(重慶大學 光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室， 重慶 400044)

利用聚氨酯基磁流變彈性體，結合ANSYS有限元仿真，設計制作了一種剪切式磁流變彈性體緩沖裝置。搭建自由跌落沖擊試驗系統(tǒng)和沖擊響應譜試驗系統(tǒng)分別測試了該緩沖裝置的沖擊響應特性，研究了在不同磁場下緩沖裝置的緩沖性能。實驗結果表明在自由跌落沖擊和沖擊響應譜兩種試驗中，所設計的磁流變彈性體緩沖裝置都具有較高的緩沖率，且裝置的緩沖率隨著磁場的增加而增大，表明磁流變彈性體緩沖裝置起到了一定的緩沖作用，且可以實現(xiàn)外加電流對其緩沖效果的控制，該研究為磁流變彈性體在半主動/主動隔振緩沖領域的應用做出了有益探索。

磁流變彈性體；緩沖控制；沖擊；沖擊響應譜

運載火箭、飛機、船舶、車輛及各種工程機械運行時經常受到沖擊的作用[1-2]，持續(xù)的沖擊會對設備結構和性能等產生不利影響。為了保證設備能夠抵擋沖擊環(huán)境的有害影響，緩沖裝置的應用越來越廣。傳統(tǒng)的緩沖裝置，如橡膠式、彈簧式和液壓式緩沖器的性能參數(shù)是固定的[3]，在多變的工況下很難根據(jù)外部沖擊載荷進行大范圍的調節(jié)。在這種情況下，緩沖效果會因環(huán)境變化而大打折扣，因此迫切需要開發(fā)一種能隨外界條件進行自適應調節(jié)的緩沖裝置。磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomer, MRE)是一種剛度和阻尼可受外加磁場控制的新型智能磁流變材料，并且相比于磁流變液(Magnetorheological Fluid,MRF)，其應用裝置具有無需密封、性能穩(wěn)定、響應迅速等獨特優(yōu)點[4-7]。因此，將磁流變彈性體作為智能核心元件應用在緩沖、可調諧吸振及隔振領域具有誘人的前景。美國AMAD公司[8]為海軍水下武器發(fā)射系統(tǒng)研制了一種磁流變彈性體緩沖器，其剛度特性在1 ms之內可以提高60%左右，對外部的沖擊載荷有著較好的隔離效果，目前該裝置有望用于SSGN武器發(fā)射防護系統(tǒng)。WERELEY等[9-10]理論研究了磁流變自適應緩沖器在跌落沖擊中的應用，建立了緩沖器與沖擊載荷之間的對應關系式。GINDER等[11-12]成功研制了共振頻率可由外加磁場進行調節(jié)的磁流變彈性體可調吸振器，從而實現(xiàn)其在較寬頻段內有著良好的減振效果。ZHOU等[13-14]利用磁流變彈性體，研制出了具有可控剛度特性的夾層和三明治梁，可以通過控制磁流變彈性體夾層的特性控制整個梁的振動特性，從而達到減振目的。余淼等[15]開展了基于磁流變技術的隔振緩沖器的研究，設計了三明治式的磁流變彈性體隔振緩沖器，并通過高低頻激振試驗發(fā)現(xiàn)，在 200～400 Hz 頻率范圍內，施加電流越大，其隔振效果越好，達到了可控減振的效果。

目前，國內外關于磁流變彈性體的應用研究主要集中在隔振降噪領域，而鮮有關于磁流變彈性體在緩沖吸能領域的應用研究報道。基于此，本文利用磁流變彈性體作為智能緩沖材料并結合ANSYS磁路結構優(yōu)化設計制作了一種緩沖裝置。為了驗證緩沖裝置的有效性，搭建了自由跌落沖擊試驗系統(tǒng)，針對自由跌落試驗的跌落高度不能精確可控及其不能模擬更真實的復雜沖擊的因素又搭建了沖擊響應譜試驗系統(tǒng)，并分別對磁流變彈性體緩沖裝置的緩沖性能進行了評估和分析。

1 磁流變彈性體緩沖裝置設計

由于聚氨酯橡膠具有減震性能優(yōu)良、耐磨性能卓越、強度高、彈性好等優(yōu)異特性[16]，本文針對沖擊緩沖裝置，制備了具有高磁流變效應的聚氨酯基磁流變彈性體，其中磁性顆粒選用直徑為3～5 μm的球形羰基鐵粉(德國BASF公司生產)，具體制備過程在本課題組之前的研究工作中有詳細描述[17]。用流變儀(MCR 301，奧地利安東帕公司生產)對磁流變彈性體的動態(tài)力學性能進行表征，流變儀測試原理在本課題組之前的研究工作中也有詳細描述[18]。圖1為測得的磁流變彈性體的剪切儲能模量和磁流變效應隨磁場變化關系圖，其中測試頻率設置為10 Hz，應變幅值為1%、8%和15%，測試磁場為0～1.1 T。由圖1可知，本文制備的聚氨酯基磁流變彈性體具有較高的磁流變效應。在15%的應變條件下，其最大磁流變效應(剪切模量在外加磁場下的最大絕對變化量)可達180%。表明即使在較大應變下，該磁流變彈性體仍具有較寬的模量調節(jié)范圍。

(a) (b)圖1 磁流變彈性體的剪切儲能模量/磁流變效應-磁場曲線Fig.1 Shear storage modulus and magnetorheological effect of MRE samples under different magnetic fields

圖2 磁流變彈性體緩沖裝置結構Fig.2 Structure of MRE buffer

磁流變彈性體的工作模式主要有剪切模式和拉-壓模式兩種，且磁流變彈性體在剪切模式下可控范圍更大。基于此，本研究采用聚氨酯基磁流變彈性體作為智能核心材料，設計制作了剪切式磁流變彈性體緩沖裝置，結構如圖2所示。它主要由鐵芯、套筒、勵磁線圈、磁流變彈性體及連接螺桿構成。外加電源給線圈繞組供電，產生磁場，此時鐵芯、磁流變彈性體及套筒構成閉合磁回路，如圖3所示。當磁流變彈性體緩沖裝置受到外界激勵時，磁流變彈性體在鐵芯和套筒之間作剪切運動。通過調節(jié)線圈繞組電流大小，實現(xiàn)磁場強弱控制。隨著磁場大小變化，磁流變彈性體的剛度阻尼性能發(fā)生變化，進而改變系統(tǒng)的固有頻率和阻尼耗散能力。通過適時地調節(jié)外加磁場，可以提高系統(tǒng)寬頻有效的沖擊緩沖性能。

圖3 磁路示意圖Fig.3 Schematic diagram of magnetic circuit

采用ANSYS有限元軟件對緩沖裝置磁路結構進行仿真分析，緩沖裝置中磁流變彈性體的厚度為2 mm，采用的勵磁線圈直徑為0.6 mm，匝數(shù)為450匝，施加電流為2A時的1/2模型仿真結果如圖4所示。結果顯示在磁流變彈性體處的磁感應強度達到730 mT左右，符合設計和實驗需求(聚氨酯基磁流變彈性體的動態(tài)性能變化范圍集中在0～1 T內)。

圖4 磁感應強度等值線圖Fig.4 Contour map of magnetic induction intensity

2 實 驗

為了評估磁流變彈性體緩沖裝置的緩沖性能，本文選擇兩種不同的沖擊激勵方式，分別基于機柜導軌裝置和電磁振動臺搭建了自由跌落沖擊試驗系統(tǒng)和沖擊響應譜試驗系統(tǒng)，并對磁流變彈性體緩沖裝置進行了自由跌落沖擊試驗和沖擊響應譜試驗。

2.1 自由跌落沖擊試驗

在OXF-B型機柜(重慶祥明儀表機箱有限公司)中安裝MR微型滾珠線性滑軌(江蘇通錦精密工業(yè)有限公司)作為導向裝置，在潤滑油的作用下，可忽略磁流變彈性體緩沖裝置沿著滑軌自由跌落時的摩擦力，故該系統(tǒng)可用來模擬單自由度自由跌落沖擊試驗，測試系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)主要包括機柜、滑軌、磁流變彈性體緩沖裝置、安裝架、加速度傳感器、穩(wěn)壓電源、動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和計算機。將磁流變彈性體緩沖裝置通過安裝架固定于滑軌上，從一定高度讓其自由跌落。試驗中，跌落高度設置為150 mm，施加電流分別為0 A、0.5 A、1 A和1.5 A。自由跌落時的沖擊和響應信號分別由兩個加速度傳感器采集，通過數(shù)據(jù)采集儀對信號進行記錄，并傳輸至計算機進行分析和處理。

圖5 自由跌落沖擊試驗系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of drop-induced shock test system

2.2 沖擊響應譜試驗

傳統(tǒng)的沖擊試驗主要是以簡單脈沖產生的沖擊效果來模擬實際的沖擊環(huán)境，而實際環(huán)境中經常遇見的是變化持續(xù)時間的復雜沖擊，因此使用半正弦脈沖等簡單沖擊作為試驗規(guī)范不能模擬真實的沖擊環(huán)境[19]。目前，國外許多研究者推薦采用等效損傷原則模擬復雜振蕩型沖擊環(huán)境，即用沖擊響應譜來作為模擬沖擊環(huán)境標準[20-21]。基于此，同時針對自由跌落試驗中跌落高度不能精確可控的因素，本文還采用了沖擊響應譜試驗對磁流變彈性體緩沖裝置的性能進行了評價，測試系統(tǒng)如圖6所示。利用MPA406/M232A電磁振動系統(tǒng)(航天希爾測試技術有限公司)提供沖擊激勵，由給定的沖擊響應譜合成復雜的時域沖擊波形，并施加到磁流變彈性體緩沖裝置系統(tǒng)進行沖擊試驗。

圖6 沖擊響應譜試驗系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of shock response spectrum test system

由自由跌落的沖擊加速度信號計算得其沖擊響應譜如圖7所示，為了與自由跌落沖擊試驗進行對比，根據(jù)等效損傷原則，通過電磁振動控制軟件設置沖擊響應譜試驗參數(shù)應與之接近，設置的參數(shù)如下：

試驗規(guī)范： 5 Hz，0.3 g

200 Hz，20 g

2 000 Hz，20 g

容差：±6 dB。

在振動臺上設置以上試驗條件后，采用自動循環(huán)優(yōu)化后得到時域沖擊波形，然后將該沖擊施加到磁流變彈性體緩沖系統(tǒng)。試驗中，對磁流變彈性體緩沖裝置分別施加0 A、0.5 A、1 A和1.5 A的電流，由加速度傳感器分別采集沖擊和響應加速度信號，并進行分析和處理，觀察在施加不同電流下的磁流變彈性體緩沖裝置的緩沖效果。

圖7 自由跌落沖擊信號的沖擊響應譜Fig.7 The shock response spectrum of drop-induced shock signal

3 結果及分析

3.1 實驗結果

3.1.1 自由跌落沖擊試驗

圖8 自由跌落試驗的沖擊及響應加速度信號Fig.8 Shock and response acceleration signals of drop test

自由跌落沖擊試驗中，施加不同電流后，采集的沖擊激勵加速度信號和不同電流下的響應加速度信號如圖8所示，從圖中可以直觀地看出，響應加速度幅值相比激勵加速度幅值都相應減小了。緩沖效果可用對應加速度幅值的下降率來評價

Br=|gr-gs|/gs×100%

(1)

式中:Br為緩沖率;gs為激勵加速度峰值;gr為響應加速度峰值。

由式(1)計算出不同外加電流下磁流變彈性體緩沖裝置的緩沖率如圖9所示，可以看出隨著外加電流的增大，緩沖率依次達到8.9%、17.6%、23.9%、31.2%，即設計的磁流變彈性體緩沖裝置在有無外加電流作用時都起到了緩沖的作用，且隨著外加電流的增大，其緩沖性能越好。

圖9 不同電流下的緩沖率Fig.9 Buffer rate under different current levels

3.1.2 沖擊響應譜試驗

對磁流變彈性體緩沖裝置進行沖擊響應譜試驗，施加不同電流后，采集到激勵加速度信號和不同電流下的響應加速度信號如圖10所示。由圖10中的沖擊及響應加速度幅值，計算得到緩沖率如圖11所示。可以看到，隨著外加電流的增大，磁流變彈性體緩沖系統(tǒng)的緩沖率依次達到69.7%、72.8%、74.6%和77.8%。磁流變彈性體緩沖裝置在沖擊加速度幅值處取得了很好的衰減效果，且其在沖擊響應譜試驗中的緩沖性能優(yōu)于在自由跌落沖擊試驗中的性能。

圖10 沖擊響應譜試驗的沖擊及響應加速度信號Fig.10 Impact and response acceleration signals of shock response spectrum test

圖11 不同電流下的緩沖率Fig.11 Buffer rate under different current levels

3.2 實驗分析

從以上兩個沖擊試驗可以得到，隨著外加電流的增大，對應沖擊的響應加速度幅值衰減越大，即磁流變彈性體緩沖裝置起到了一定的緩沖作用，且可以實現(xiàn)外加電流對其緩沖效果的控制。此外，在更模擬真實沖擊環(huán)境的沖擊響應譜試驗中，磁流變彈性體緩沖裝置的緩沖性能優(yōu)于自由跌落沖擊試驗。

在沖擊載荷作用下，磁流變彈性體緩沖裝置吸收的能量最大值為W(t)

(2)

式中，f(t)、u(t)分別為磁流變彈性體緩沖裝置的力、位移值。通過電磁振動系統(tǒng)，搭建測試系統(tǒng)表征磁流變彈性體緩沖裝置在不同外加電流作用下動態(tài)剪切的力-位移關系，測試結果如圖12所示。該測試結果與MOLCHANOV等[22]所測結果一致，即隨著測試磁場的增強，力位移曲線所包絡面積越來越大，緩沖裝置能量耗散能力越強。

圖12 磁流變彈性體緩沖裝置在不同電流下的力-位移曲線Fig.12 Force-displacement curve of the device under different current levels

在沖擊激勵下，磁流變彈性體在緩沖裝置結構的層間發(fā)生剪切形變，從而引起剛度降低(應變增大，磁流變彈性體模量降低，如圖1所示)，同時剪切分子層間摩擦耗能可使沖擊后的響應迅速衰減[23]。此外，文獻[24]分析了在不同阻尼比(0～1)和不同頻率比(0～20)下的抗沖隔離器的沖擊響應，結果表明在寬頻范圍內、最佳阻尼比(0.35)之前，隨著抗沖隔離器的阻尼特性增強，沖擊絕對加速度幅值衰減效果越好。本文試驗的磁流變彈性體緩沖裝置正處于該隔沖頻率和阻尼范圍內，且隨著外加磁場的增大，由圖12可知，磁流變彈性體緩沖裝置的阻尼耗散能力越強，即沖擊加速度幅值衰減效果越好。因此，在自由跌落沖擊試驗和沖擊響應譜試驗中，隨著磁場增大，磁流變彈性體緩沖裝置的緩沖效果越突出。

4 結 論

本文利用聚氨酯基磁流變彈性體為智能核心材料設計制作了一種剪切式緩沖裝置。通過自由跌落沖擊試驗和沖擊響應譜試驗對磁流變彈性體緩沖裝置的沖擊響應性能進行了表征和測試。兩種沖擊試驗結果表明，磁流變彈性體緩沖裝置對沖擊信號都有明顯衰減作用，并且隨著外加電流的增大，衰減作用越大，表明該設計能實現(xiàn)電流對緩沖效果的控制，這為磁流變彈性體用于半主動/主動隔振緩沖領域提供了重要的參考價值。

[ 1 ] ZONG Z, LAM K Y. Biodynamic response of shipboard sitting subject to ship shock motion [J]. Journal of Biomechanics, 2002, 35(1): 35-43.

[ 2 ] DESJARDINS S P. The evolution of energy absorption systems for crashworthy helicopter seats [J]. Journal of the American Helicopter Society, 2006, 51(2): 150-163.

[ 3 ] 高躍飛. 抗沖擊磁流變緩沖器原理及分析[J]. 華北工學院學報，2002, 23(1): 4-7. GAO Yuefei.Analysis of the shock damper using magnetorheological fluids [J]. Journal of North China Institute of Technology, 2002, 23(1): 4-7.

[ 4 ] CARLSON J D, JOLLY M R. MR fluid, foam and elastomer devices[J]. Mechatronics, 2000, 10(4/5): 555-569.

[ 5 ] BORCEA L, BRUNO O. On the magneto-elastic properties of elastomer-ferromagnet composites [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2001, 49(12): 2877-2919.

[ 6 ] BELLAN C, BOSSIS G. Field dependence of viscoelastic properties of MR elastomers [J]. International Journal of Modern Physics B, 2002, 16(17/18): 2447-2453.

[ 7 ] JU B X, YU M, FU J, et al. A novel porous magnetorheological elastomer: preparation and evaluation [J]. Smart Materials and Structures, 2012, 21(3):290-298.

[ 8 ] FARAMARZ G. Tunable shock and vibration isolation system [R]. Reno:US Navy Proposal Submission, 2006.

[ 9 ] WERELEY N M, CHOI Y T, SINGH H J. Adaptive energy absorbers for drop-induced shock mitigation [J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2011, 22(6): 515-519.

[10] CHOI Y T, WERELEY N M. Drop-induced shock mitigation using adaptive magnetorheological energy absorbers incorporating a time lag [J]. Journal of Vibration and Acoustics-Transactions of the ASME, 2015, 137(1):0110101.

[11] GINDER J M, SCHLOTTER W F, NICHOLS M E. Magnetorheological elastomers in tunable vibration absorbers [J]. Smart Structures and Materials 2001:Damping and Isolation, 2001, 4331: 103-110.

[12] 康存軍，龔興龍，陳現(xiàn)敏，等. 磁流變彈性體主動式自調諧吸振器控制系統(tǒng)的研究[J].振動與沖擊, 2012, 31(6): 27-31. KANG CunJun， GONG Xinglong， CHEN Xianmin, et al. Control system for an adaptive-active tuned vibration absorber based on magnetorheological elastomers[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(6): 27-31.

[13] ZHOU G Y, WANG Q. Magnetorheological elastomer-based smart sandwich beams with nonconductive skins [J]. Smart Materials and Structures, 2005, 14(5): 1001-1009.

[14] 魏克湘，孟光，游紅，等. 磁流變彈性體夾層梁的振動響應特性實驗研究[J]. 振動與沖擊， 2009, 28(10): 81-83. WEI Kexiang, MENG Guang, YOU Hong, et al.Experimental study on vibration response behavior of a beam with magnetorheological elastomers [J]. Journal of Vibration and Shock, 2009, 28(10): 81-83.

[15] 夏永強，余淼，劉勝龍.磁流變彈性體隔振緩沖器設計及實驗研究[J].振動與沖擊, 2010, 29(9): 196-200. XIA Yongqiang，YU Miao，LIU Shenglong. Design and experimental study on isolation buffer of magneto-rheological elastomer [J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(9): 196-200.

[16] 陳亞東，田奇. 聚氨酯緩沖器的力學分析[J].起重運輸機械， 2008(4): 64-66. CHEN Yadong, TIAN Qi. Mechanics analysis of polyurethane buffer[J]. Hoisting and Conveying Machinery, 2008(4): 64-66.

[17] YU M, ZHU M，F(xiàn)U J，et al. A dimorphic magnetorheological elastomer incorporated with Fe nano-flakes modified carbonyl iron particles: preparation and characterization [J]. Smart Materials and Structures, 2015, 24(11):11502111.

[18] YU M, FU J, JU B X, et al. Influence of x-ray radiation on the properties of magnetorheological elastomers [J]. Smart Materials and Structures, 2013, 22(12):25010-125017.

[19] 盧來潔，馬愛軍，馮雪梅.沖擊響應譜試驗規(guī)范述評[J]. 振動與沖擊， 2002, 21(2): 18-20. LU Laijie, MA Aijun, FENG Xuemei.A review of shock response spectrum test standard [J]. Journal of Vibration and Shock, 2002, 21(2): 18-20.

[20] BHAT P, CHANDRASEKHAR A J. Shock response spectrum analysis approach for optimal design of electronic devices [J]. Proceedings of the International Conference on Noise and Vibration Engineering (ISMA2012) / International Conference on Uncertainty in Structural Dynamics (USD2012), 2012: 2323-2332.

[21] CORDES J A, VO P, LEE J R, et al. Comparison of shock response spectrum for different gun tests [J]. Shock and Vibration, 2013, 20(3): 481-491.

[22] MOLCHANOV V S, STEPANOV G V, VASILIEV V G, et al. Viscoelastic properties of magnetorheological elastomers for damping applications [J]. Macromolecular Materials and Engineering, 2014, 299(9): 1116-1125.

[23] 李明. 沖擊載荷下磁性層合梁的緩沖及衰減特性[J]. 武漢科技大學學報(自然科學版)， 2012, 35(2): 152-155. LI Ming. Buffering and attenuating characteristics of magnetic laminated beam under impact load [J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2012, 35(2): 152-155.

[24] 單樹軍，何琳. 黏性阻尼在硬特性剛度隔沖系統(tǒng)中的作用[J]. 振動與沖擊， 2008, 27(6): 96-98. SHAN Shujun, HE Lin. Effect of viscous damping on a hard rigidity shock isolation system [J]. Journal of Vibration and Shock, 2008, 27(6): 96-98.

An experimental study on shock response characteristics of magnetorheological elastomer-based buffer

ZHUMi,YUMiao,FUJie,QISong,YANGPing’an

(The Key Laboratory for Optoelectronic Technology and Systems， Ministry of Education， Department． of Optoelectronic Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China)

Combined with finite element simulation in ANSYS, this paper designed and produced a buffer device based on polyurethane magnetorheological elastomer (MRE). A drop-induced test and a shock response spectrum test were constructed to evaluate the shock response properties of the MRE buffer. The experimental results indicate that the buffer possesses a good attenuation effect, and the cushioning effect increases with the applied magnetic field. This reveals that the cushioning effect of the designed buffer can be controlled by the applied current.

magnetorheological elastomer; buffer control; shock; shock response spectrum

國家自然科學基金資助項目(61203098)；中央高校基本科研業(yè)務費科研專項自然科學類資助項目(CD-JZR13120090)

2015-06-26 修改稿收到日期：2016-01-14

朱秘 女，碩士，1990年生

余淼 男，教授，博士生導師，1973年生

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.027