CN108317207A - 可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器，第一铁芯上缠绕有第一电磁线圈；第一导磁滑块与第一铁芯之间设置有第一垂直方向磁流变弹性体，第一导磁滑块与第一外壳之间设置有第一水平方向磁流变弹性体；第一水平方向磁流变弹性体材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料；第一垂直方向磁流变弹性体由多层第一圆片和多层第二圆片组成，第一圆片和第二圆片呈交替设置并叠加在一起；第一圆片为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料，第二圆片为钢。本发明通过磁流变弹性体和钢的层合结构提高隔振器在垂直方向上的承载能力，通过剪切和挤压的复合模式结合硬磁性颗粒磁流变弹性体独特的磁致效应，提升隔振器在垂直和水平各方向的隔振能力。

Description

可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器

技术领域

本发明属于结构振动控制领域，具体涉及一种能在垂直方向承载、并实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器。

背景技术

在船舶工业、航空工业、土木工程、汽车工业等领域，振动控制技术被广泛用于抑制振动，隔振是通过降低振动的传递来控制目标振动的振动控制方法。被动振动控制技术操作简单和易于实现，但其适应能力差无法满足更高的减振要求。考虑到现实中的时变振源或宽振动频带，主动振动控制技术可以显著提高减振效果，但是高耗能、高成本，因此不适用于船舶的减振降噪。在过去的几十年中，半主动振动控制已经吸引了很多关注，无需额外消耗大量能量仅通过改变自身刚度或阻尼来调节内部动力并降低振动响应，兼具被动控制的可靠性和主动控制的高效性，因此在工程应用中具有很大潜力。

基于不同智能材料的元件具有不同的振动控制方案，自从1948磁流变现象被发现，磁流变材料因其动力学特性已经被证明非常适合应用于存在随机激励和冲击载荷的振动控制，包括船用设备和车辆装置的减振。目前，因为动态屈服应力可以连续、快速、可逆地受外加磁场控制，磁流变液的应用已经在多个领域得到商业化和工业化，比如汽车阻尼，车辆悬架和防震装置。与磁流变液相比，磁流变弹性体的应用仍处于探索阶段，相关的产业化才刚刚起步。

磁流变弹性体是磁流变材料的一个分支，磁流变弹性体由可磁化颗粒和抗磁性聚合物基体组成，其磁致效应表现为通过对外部磁场的调整可以实现对磁流变弹性体的刚度进行连续、快速、可逆的控制。弹性体相态克服了磁流变液屈服应力较低、易受杂质影响、对电压要求高、液体泄漏和颗粒沉降等缺点^[1]。传统的磁流变弹性体的可磁化颗粒为软磁材料，因为最初的研制采用了软磁性颗粒，制备工艺成熟，目前大多数磁流变弹性体均属于传统的磁流变弹性体。其隔振原理是在低频域内通过接通外磁场提高隔振器固有频率，因此在低频振动的工作环境里磁流变弹性体隔振器消耗电能。

永磁材料颗粒组成的硬磁性颗粒磁流变弹性体(颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶)是一个新的分支，在磁场作用下硬磁性颗粒磁流变弹性体在成型过程中被磁化，因此，材料本身具有磁性和磁场方向。区别于传统的磁流变弹性体，零磁场时储能模量最低材料最软，增加外部磁场只能实现储能模量的增加，材料硬化；硬磁性颗粒磁流变弹性体独有的磁致效应表现为，当外部电磁场方向与磁流变弹性体本身的磁化方向一致时，因为储能模量的增加材料会变硬，当外部电磁场方向与磁流变弹性体本身的磁化方向相反时，因为储能模量的降低材料会变软。因此，控制外部磁场不仅可以实现刚度的增加，也可以实现刚度的降低，能够为磁流变弹性体隔振器提供更加节约能源的工作方案，因此是半主动振动控制系统的理想选用材料^[2]。

目前为止，现有的大多磁流变弹性体隔振器使磁流变弹性体在剪切模式下工作，通过控制剪切模量实现隔振效果。然而，磁流变弹性体在压缩模式下能承受更大载荷，磁致模量更大，同时，考虑到磁流变弹性体与钢的层合结构具备优良的承载能力，采用剪切-压缩复合模式可以有效提高隔振器的承载能力、工作效率和稳定性。

参考文献

[1]J.D.Carlson,M.R.Jolly,MR fluid,foam and elastomer devices,Mechatronics,10(4),555-569,(2000).

[2]Q.Wen,Y.Wang,X.Gong,The magnetic field dependent dynamicproperties of magnetorheological elastomers based on hard magnetic particals,Smart Materials and Structures,26,075012,(2017).

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器，以克服现有的磁流变弹性体隔振器，只能在剪切或者挤压单一模式下工作，只能通过控制剪切模量或者弹性模量实现隔振效果的缺点。

本发明所采用的技术方案为：

可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器，包括第一外壳、第一导磁滑块和第一铁芯；第一导磁滑块和第一铁芯设置在第一外壳内部；第一铁芯上缠绕有第一电磁线圈；第一导磁滑块设置在第一铁芯的上方，第一导磁滑块的下表面与第一铁芯的上表面之间设置有第一垂直方向磁流变弹性体；第一导磁滑块的侧面与第一外壳内壁之间设置有第一水平方向磁流变弹性体；

第一水平方向磁流变弹性体为一环形体，第一水平方向磁流变弹性体的材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料；

第一垂直方向磁流变弹性体由多层第一圆片和多层第二圆片组成，第一圆片和第二圆片呈交替设置并叠加在一起；第一圆片的材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料，第二圆片的材料为钢。

其中，第一导磁滑块的材料为钢。

其中，硬磁性颗粒磁流变弹性体材料中的颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶。

再者，第一外壳下部的内壁上设置有第一环形凸台，第一环形凸台与第一外壳底面之间形成环形凹槽；第一铁芯下部设置有第二环形凸台和第三环形凸台，第三环形凸台位于第二环形凸台的上方，第二环形凸台和第三环形凸台形成阶梯状；第二环形凸台嵌在环形凹槽内，第一环形凸台嵌在第二环形凸台和第三环形凸台之间。

进一步的，第一铁芯上部套有第一环形限位体，第一电磁线圈设置在第一环形限位体和第三环形凸台之间。

上述第一铁芯、第一环形限位体和第一电磁线圈都设置在第一外壳内部。

本发明的有益效果是：通过第一垂直方向磁流变弹性体的磁流变弹性体和钢的层合结构能有效提高隔振器在垂直方向上的承载能力，通过剪切和挤压的复合模式结合硬磁性颗粒磁流变弹性体独特的磁致效应，显著提升隔振器在垂直和水平各方向的全方位隔振能力。

附图说明

图1是本发明磁流变弹性体隔振器的外观图；

图2是图1的A向视图；

图3是图2的B-B剖视图；

图4是本发明磁流变弹性体隔振器切开1/4的结构示意图；

图5是传统磁流变弹性体隔振器的结构示意图；

图6是硬磁性颗粒磁流变弹性体(颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶)的储能模量与应变幅值、频率之间的关系图；

图7是当外部电磁场方向与硬磁性颗粒磁流变弹性体本身的磁化方向一致时，硬磁性颗粒磁流变弹性体(颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶)的储能模量与磁场强度、应变幅值之间的关系图；

图8是当外部电磁场方向与硬磁性颗粒磁流变弹性体本身的磁化方向相反时，硬磁性颗粒磁流变弹性体(颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶)的储能模量与磁场强度之间的关系图；

图9为在振动试验中，无隔振器组、传统磁流变隔振器组和本发明磁流变隔振器组三组中，质量块与基础之间的相对位移与时间的关系图；

图10为在振动试验中，无隔振器组、传统磁流变隔振器组和本发明磁流变隔振器组三组中，质量块的绝对加速度与时间的关系图。

图中，1.第一外壳，2.第一导磁滑块，3.第一铁芯，4.第一电磁线圈，5.第一垂直方向磁流变弹性体，5-1.第一圆片，5-2.第二圆片，6.第一水平方向磁流变弹性体，7.第一环形凸台，8.第二环形凸台，9.第三环形凸台，10.第一环形限位体，11.第二外壳，12.第二导磁滑块，13.第二铁芯，14.第二电磁线圈，15.第二垂直方向磁流变弹性体，16.第二水平方向磁流变弹性体，17.第四环形凸台，18.第五环形凸台，19.第六环形凸台，20.第二环形限位体。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供一种可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器，包括第一外壳1、第一导磁滑块2和第一铁芯3；第一导磁滑块2和第一铁芯3设置在第一外壳1内部；第一铁芯3上缠绕有第一电磁线圈4；第一导磁滑块2设置在第一铁芯3的上方，第一导磁滑块2的材料为钢。

如图3和图4所示，第一导磁滑块2的下表面与第一铁芯3的上表面之间设置有第一垂直方向磁流变弹性体5；第一垂直方向磁流变弹性体5由多层第一圆片5-1和多层第二圆片5-2组成，第一圆片5-1和第二圆片5-2呈交替设置并叠加在一起；第一圆片5-1的材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料(颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶)，第二圆片5-2的材料为钢。

如图3和图4所示，第一导磁滑块2的侧面与第一外壳1内壁之间设置有第一水平方向磁流变弹性体6；第一水平方向磁流变弹性体6为一环形体，第一水平方向磁流变弹性体6的材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料(颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶)。

另外，如图3和图4所示，第一外壳1下部的内壁上设置有第一环形凸台7，第一环形凸台7与第一外壳1底面之间形成环形凹槽；第一铁芯3下部设置有第二环形凸台8和第三环形凸台9，第三环形凸台9位于第二环形凸台8的上方，第二环形凸台8和第三环形凸台9形成阶梯状；其中，第二环形凸台8嵌在环形凹槽内，第一环形凸台7嵌在第二环形凸台8和第三环形凸台9之间。第一铁芯3上部套有第一环形限位体10，第一电磁线圈4设置在第一环形限位体10和第三环形凸台9之间，第一环形限位体10和第三环形凸台9将第一电磁线圈4限位，使得第一电磁线圈4不会发生位移。第一铁芯3、第一环形限位体10和第一电磁线圈4都设置在第一外壳1内部。

本发明磁流变弹性体隔振器的工作原理是：需要隔振的设备仪器安装在第一导磁滑块2上，然后第一电磁线圈4通电，第一电磁线圈4和第一铁芯3产生磁场。如果需要隔振的设备仪器发生水平移动，第一导磁滑块2也随之水平移动，第一水平方向磁流变弹性体6承受挤压承载，第一水平方向磁流变弹性体6的环形结构确保在360°任意水平方向的隔振效果，同时，第一垂直方向磁流变弹性体5承受剪切承载，有效增加水平方向的隔振能力。如果需要隔振的设备仪器发生垂直移动，第一导磁滑块2也随之垂直移动，第一垂直方向磁流变弹性体5承受挤压承载，第一垂直方向磁流变弹性体5的硬磁性颗粒磁流变弹性体和钢的层合结构保证了垂直方向良好的承载能力和隔振效果，同时，第一水平方向磁流变弹性体6承受剪切承载，进一步提高垂直方向的隔振能力。

磁流变弹性体本身属于橡胶类材料，具备隔振功能。本发明使用感应器检测需要隔振设备仪器的位移和加速度，通过数据处理获得相对位移和相对速度的信息，依据位移和速度的情况，第一电磁线圈4输出电流产生相应的电磁场，从而调节隔振器的刚度，从而控制相对位移提高隔振效果。

将质量块安装在本发明磁流变隔振器的第一导磁滑块2上，本发明磁流变隔振器再安装在基础上；其中基础产生振动用来模拟船舶、汽车或地基等，质量块用来模拟需要隔振的仪器设备。质量块与基础之间的相对位移、质量块与基础之间相对速度与输出电流之间的具体关系如下：

当相对位移和相对速度表明相对位移保持很小或逐渐降低时，第一电磁线圈4输出与硬磁性颗粒磁流变弹性体磁化方向相反方向的电流，使第一垂直方向磁流变弹性体5和第一水平方向磁流变弹性体6以最柔软的状态发挥隔振作用，此时隔振器的刚度最小。比如表格1中，相对位移和相对速度均为零时、相对位移较大方向向上而相对速度较大方向向下时，以产生与硬磁性颗粒磁流变弹性体磁化方向一致的电磁场的电流方向为正方向，此时输出的电流为反向电流2A。

当相对位移和相对速度表明相对位移将持续增大时，第一电磁线圈4输出适量与硬磁性颗粒磁流变弹性体磁化方向相同方向的电流，适当提高第一垂直方向磁流变弹性体5和第一水平方向磁流变弹性体6的硬度来抑制相对位移的进一步增加，从而适量提高隔振器的刚度增强隔振效果。比如表格1中，相对位移和相对速度均较大、方向同时向上或者向下时，以产生与硬磁性颗粒磁流变弹性体磁化方向一致的电磁场的电流方向为正方向，此时输出的电流为正向电流4A；相对位移较大方向向上而相对速度较小且方向向下时，以产生与硬磁性颗粒磁流变弹性体磁化方向一致的电磁场的电流方向为正方向，此时输出的电流为0。

表1 相对位移、相对速度与输出电流之间的关系

磁流变弹性体的弹性模量和剪切模量均为复模量，包含实部与虚部，其中，表示储能模量的实部是有效的弹性模量或者剪切模量，是等效刚度的直接来源，而表示损耗模量的虚部与阻尼相关。如图6所示，硬磁性颗粒磁流变弹性体(本发明隔振器的第一垂直方向磁流变弹性体5和第一水平方向磁流变弹性体6)的储能模量随着振动测试引起的应变幅值的增加而逐渐减小，随着振动频率的增加而逐渐增加。而应变幅值和频率对于磁流变弹性体储能模量的影响可以看作是相互独立的，应变幅值改变时，储能模量随着频率的变化趋势不发生改变；频率改变时，储能模量随着应变幅值的变化趋势不发生改变。

在磁场作用下硬磁性颗粒磁流变弹性体在成型过程中被磁化，因此，材料本身具有磁性和磁场方向。硬磁性颗粒磁流变弹性体在材料的后期使用过程中，当外部电磁场方向(第一电磁线圈4通电，第一电磁线圈4和第一铁芯3产生电磁场)与硬磁性颗粒磁流变弹性体本身的磁化方向一致时，如图7所示，硬磁性颗粒磁流变弹性体(本发明隔振器的第一垂直方向磁流变弹性体5和第一水平方向磁流变弹性体6)的储能模量随着振动测试引起的应变幅值的增加而逐渐减小，随着磁场强度的增加而逐渐增加。而应变幅值和磁场对于磁流变弹性体储能模量的影响可以看作是相互独立的，应变幅值改变时，储能模量随着磁场强度的变化趋势不发生改变；磁场强度改变时，储能模量随着应变幅值的变化趋势不发生改变。

在成型过程中硬磁性颗粒磁流变弹性体在磁场作用下被磁化，因此，本身具有磁性和磁场方向。在材料的后期使用过程中，当外部电磁场方向(第一电磁线圈4通电，第一电磁线圈4和第一铁芯3产生电磁场)与硬磁性颗粒磁流变弹性体本身的磁化方向相反时，如图8所示，硬磁性颗粒磁流变弹性体(本发明隔振器的第一垂直方向磁流变弹性体5和第一水平方向磁流变弹性体6)呈现出变软的特质，这种软化特征明显增加了刚度的可调节范围，克服了传统磁流变弹性体在低频域需要通电状态工作的缺点，使材料在振动控制领域中的应用具备更大潜力。图8中，硬磁性颗粒磁流变弹性体的储能模量随着磁场强度变化的曲线为非对称图形，这是因为硬磁性颗粒磁流变弹性体外部磁场方向不同时储能模量变化趋势不同。当外部磁场方向与该弹性体本身磁化方向一致时，储能模量随着磁场强度的增加而增加，发生磁饱和时达到储能模量的最大值，这个过程中该弹性体被进一步磁化，当外部磁场强度逐渐减小至零时，储能模量会随之逐渐减小，但是，最后零磁场时的储能模量会略高于初始的储能模量；当外部磁场与该弹性体本身磁化方向相反时，在磁场强度不断增加的过程中，储能模量先减少至储能模量的最小值，然后再增加却无法达到最大值，这个过程中该弹性体首先经历退磁，然后被反方向充磁，被磁化的程度却不及该弹性体初始磁化的程度，当外部磁场强度逐渐减小至零时，储能模量会随之逐渐减小，但是，最后零磁场时的储能模量会略低于初始的储能模量。因此，硬磁性颗粒磁流变弹性体可以通过控制外部磁场不仅实现增加刚度而且可以降低刚度，显著的增加了刚度的可调节范围。

下面通过振动试验对本发明磁流变弹性体隔振器的性能作进一步详细说明。

在振动试验中，动力学系统主要包括基础、隔振器和质量块，其中基础产生振动用来模拟船舶、汽车或地基等，质量块用来模拟需要隔振的仪器设备。

试验分为三组，分别是：

第Ⅰ组(无隔振器组)：质量块经刚架直接安装在基础上；

第Ⅱ组(传统磁流变隔振器组)：质量块安装在传统磁流变隔振器的第二导磁滑块12上，传统磁流变隔振器再安装在基础上。

传统磁流变隔振器的具体结构如图5所示，其具体结构为：该隔振器包括第二外壳11、第二导磁滑块12和第二铁芯13；第二导磁滑块12和第二铁芯13设置在第二外壳11内部；第二铁芯13上缠绕有第二电磁线圈14；第二导磁滑块12设置在第二铁芯13的上方，第二导磁滑块12的材料为钢。第二导磁滑块12的下表面与第二铁芯13的上表面之间设置有第二垂直方向磁流变弹性体15；第二垂直方向磁流变弹性体15为圆柱形结构，第二垂直方向磁流变弹性体15的材料为传统磁流变弹性体(颗粒材料为羰基铁粉，基质材料为硅橡胶)。第二导磁滑块12的侧面与第二外壳11内壁之间设置有第二水平方向磁流变弹性体16；第二水平方向磁流变弹性体16为一环形体，第二水平方向磁流变弹性体6的材料为传统磁流变弹性体(颗粒材料为羰基铁粉，基质材料为硅橡胶)；另外，第二外壳11下部的内壁上设置有第四环形凸台17，第四环形凸台17与第二外壳11底面之间形成环形凹槽；第二铁芯13下部设置有第五环形凸台18和第六环形凸台19，第六环形凸台19位于第五环形凸台18的上方，第五环形凸台18和第六环形凸台19形成阶梯状；其中，第五环形凸台18嵌在环形凹槽内，第四环形凸台17嵌在第五环形凸台18和第六环形凸台19之间。第二铁芯13上部套有第二环形限位体20，第二电磁线圈14设置在第二环形限位体20和第六环形凸台19之间，第二环形限位体20和第六环形凸台19将第二电磁线圈14限位，使得第二电磁线圈14不会发生位移。第二铁芯13、第二环形限位体20和第二电磁线圈14都设置在第二外壳11内部。

第Ⅲ组(本发明磁流变隔振器组)：质量块安装在本发明磁流变隔振器的第一导磁滑块2上，本发明磁流变隔振器再安装在基础上。

其中，基础为瑞新摇科技有限公司的海浪涌动模拟台RX/YBT-6-2000，质量块的质量为8kg。

经过振动试验得出如下结论：

如图9所示，通过分析质量块与基础之间的相对位移，对比动力学系统在第Ⅰ组、第Ⅱ组和第Ⅲ组三种工况下的动力学行为。与第Ⅰ组的工况比较，第Ⅱ组的传统磁流变隔振器和第Ⅲ组的本发明磁流变隔振器可以有效地大幅度降低相对位移，而在第Ⅱ组的传统磁流变隔振器工作效果的基础上，第Ⅲ组的本发明磁流变隔振器可以进一步降低相对位移。

如图10所示，通过比较质量块在第Ⅰ组、第Ⅱ组和第Ⅲ组三种工况下动力学系统中的绝对加速度，评价本发明磁流变隔振器的工作效率。与第Ⅰ组的工况比较，第Ⅱ组和第Ⅲ组在有磁流变弹性体隔振器的工况下，质量块的绝对加速度均被有效的大幅度降低；而与第Ⅱ组的传统磁流变隔振器的工作效果比较，第Ⅲ组的本发明磁流变隔振器可以进一步降低绝对加速度。

Claims (6)

1.可实现垂直水平多方向振动控制的磁流变弹性体隔振器，其特征在于：包括第一外壳(1)、第一导磁滑块(2)和第一铁芯(3)；所述第一导磁滑块(2)和第一铁芯(3)设置在第一外壳(1)内部；所述第一铁芯(3)上缠绕有第一电磁线圈(4)；所述第一导磁滑块(2)设置在第一铁芯(3)的上方，第一导磁滑块(2)的下表面与第一铁芯(3)的上表面之间设置有第一垂直方向磁流变弹性体(5)；第一导磁滑块(2)的侧面与第一外壳(1)内壁之间设置有第一水平方向磁流变弹性体(6)；

所述第一水平方向磁流变弹性体(6)为一环形体，第一水平方向磁流变弹性体(6)的材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料；

所述第一垂直方向磁流变弹性体(5)由多层第一圆片(5-1)和多层第二圆片(5-2)组成，第一圆片(5-1)和第二圆片(5-2)呈交替设置并叠加在一起；所述第一圆片(5-1)的材料为硬磁性颗粒磁流变弹性体材料，第二圆片(5-2)的材料为钢。

2.根据权利要求1所述的磁流变弹性体隔振器，其特征在于：所述第一导磁滑块(2)的材料为钢。

3.根据权利要求1所述的磁流变弹性体隔振器，其特征在于：所述硬磁性颗粒磁流变弹性体材料中的颗粒材料为钕铁硼，基质材料为硅橡胶。

4.根据权利要求1所述的磁流变弹性体隔振器，其特征在于：所述第一外壳(1)下部的内壁上设置有第一环形凸台(7)，第一环形凸台(7)与第一外壳(1)底面之间形成环形凹槽；所述第一铁芯(3)下部设置有第二环形凸台(8)和第三环形凸台(9)，第三环形凸台(9)位于第二环形凸台(8)的上方，第二环形凸台(8)和第三环形凸台(9)形成阶梯状；所述第二环形凸台(8)嵌在环形凹槽内，第一环形凸台(7)嵌在第二环形凸台(8)和第三环形凸台(9)之间。

5.根据权利要求4所述的磁流变弹性体隔振器，其特征在于：所述第一铁芯(3)上部套有第一环形限位体(10)，所述第一电磁线圈(4)设置在第一环形限位体(10)和第三环形凸台(9)之间。

6.根据权利要求5所述的磁流变弹性体隔振器，其特征在于：所述第一铁芯(3)、第一环形限位体(10)和第一电磁线圈(4)都设置在第一外壳(1)内部。