基于磁流变弹性体的缓冲装置设计及其冲击响应特性研究

朱 秘， 余 淼， 浮 洁, 綦 松， 杨平安

(重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室， 重庆 400044)

基于磁流变弹性体的缓冲装置设计及其冲击响应特性研究

朱 秘， 余 淼， 浮 洁, 綦 松， 杨平安

(重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室， 重庆 400044)

利用聚氨酯基磁流变弹性体，结合ANSYS有限元仿真，设计制作了一种剪切式磁流变弹性体缓冲装置。搭建自由跌落冲击试验系统和冲击响应谱试验系统分别测试了该缓冲装置的冲击响应特性，研究了在不同磁场下缓冲装置的缓冲性能。实验结果表明在自由跌落冲击和冲击响应谱两种试验中，所设计的磁流变弹性体缓冲装置都具有较高的缓冲率，且装置的缓冲率随着磁场的增加而增大，表明磁流变弹性体缓冲装置起到了一定的缓冲作用，且可以实现外加电流对其缓冲效果的控制，该研究为磁流变弹性体在半主动/主动隔振缓冲领域的应用做出了有益探索。

磁流变弹性体；缓冲控制；冲击；冲击响应谱

运载火箭、飞机、船舶、车辆及各种工程机械运行时经常受到冲击的作用[1-2]，持续的冲击会对设备结构和性能等产生不利影响。为了保证设备能够抵挡冲击环境的有害影响，缓冲装置的应用越来越广。传统的缓冲装置，如橡胶式、弹簧式和液压式缓冲器的性能参数是固定的[3]，在多变的工况下很难根据外部冲击载荷进行大范围的调节。在这种情况下，缓冲效果会因环境变化而大打折扣，因此迫切需要开发一种能随外界条件进行自适应调节的缓冲装置。磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer, MRE)是一种刚度和阻尼可受外加磁场控制的新型智能磁流变材料，并且相比于磁流变液(Magnetorheological Fluid,MRF)，其应用装置具有无需密封、性能稳定、响应迅速等独特优点[4-7]。因此，将磁流变弹性体作为智能核心元件应用在缓冲、可调谐吸振及隔振领域具有诱人的前景。美国AMAD公司[8]为海军水下武器发射系统研制了一种磁流变弹性体缓冲器，其刚度特性在1 ms之内可以提高60%左右，对外部的冲击载荷有着较好的隔离效果，目前该装置有望用于SSGN武器发射防护系统。WERELEY等[9-10]理论研究了磁流变自适应缓冲器在跌落冲击中的应用，建立了缓冲器与冲击载荷之间的对应关系式。GINDER等[11-12]成功研制了共振频率可由外加磁场进行调节的磁流变弹性体可调吸振器，从而实现其在较宽频段内有着良好的减振效果。ZHOU等[13-14]利用磁流变弹性体，研制出了具有可控刚度特性的夹层和三明治梁，可以通过控制磁流变弹性体夹层的特性控制整个梁的振动特性，从而达到减振目的。余淼等[15]开展了基于磁流变技术的隔振缓冲器的研究，设计了三明治式的磁流变弹性体隔振缓冲器，并通过高低频激振试验发现，在 200～400 Hz 频率范围内，施加电流越大，其隔振效果越好，达到了可控减振的效果。

目前，国内外关于磁流变弹性体的应用研究主要集中在隔振降噪领域，而鲜有关于磁流变弹性体在缓冲吸能领域的应用研究报道。基于此，本文利用磁流变弹性体作为智能缓冲材料并结合ANSYS磁路结构优化设计制作了一种缓冲装置。为了验证缓冲装置的有效性，搭建了自由跌落冲击试验系统，针对自由跌落试验的跌落高度不能精确可控及其不能模拟更真实的复杂冲击的因素又搭建了冲击响应谱试验系统，并分别对磁流变弹性体缓冲装置的缓冲性能进行了评估和分析。

1 磁流变弹性体缓冲装置设计

由于聚氨酯橡胶具有减震性能优良、耐磨性能卓越、强度高、弹性好等优异特性[16]，本文针对冲击缓冲装置，制备了具有高磁流变效应的聚氨酯基磁流变弹性体，其中磁性颗粒选用直径为3～5 μm的球形羰基铁粉(德国BASF公司生产)，具体制备过程在本课题组之前的研究工作中有详细描述[17]。用流变仪(MCR 301，奥地利安东帕公司生产)对磁流变弹性体的动态力学性能进行表征，流变仪测试原理在本课题组之前的研究工作中也有详细描述[18]。图1为测得的磁流变弹性体的剪切储能模量和磁流变效应随磁场变化关系图，其中测试频率设置为10 Hz，应变幅值为1%、8%和15%，测试磁场为0～1.1 T。由图1可知，本文制备的聚氨酯基磁流变弹性体具有较高的磁流变效应。在15%的应变条件下，其最大磁流变效应(剪切模量在外加磁场下的最大绝对变化量)可达180%。表明即使在较大应变下，该磁流变弹性体仍具有较宽的模量调节范围。

(a) (b)图1 磁流变弹性体的剪切储能模量/磁流变效应-磁场曲线Fig.1 Shear storage modulus and magnetorheological effect of MRE samples under different magnetic fields

图2 磁流变弹性体缓冲装置结构Fig.2 Structure of MRE buffer

磁流变弹性体的工作模式主要有剪切模式和拉-压模式两种，且磁流变弹性体在剪切模式下可控范围更大。基于此，本研究采用聚氨酯基磁流变弹性体作为智能核心材料，设计制作了剪切式磁流变弹性体缓冲装置，结构如图2所示。它主要由铁芯、套筒、励磁线圈、磁流变弹性体及连接螺杆构成。外加电源给线圈绕组供电，产生磁场，此时铁芯、磁流变弹性体及套筒构成闭合磁回路，如图3所示。当磁流变弹性体缓冲装置受到外界激励时，磁流变弹性体在铁芯和套筒之间作剪切运动。通过调节线圈绕组电流大小，实现磁场强弱控制。随着磁场大小变化，磁流变弹性体的刚度阻尼性能发生变化，进而改变系统的固有频率和阻尼耗散能力。通过适时地调节外加磁场，可以提高系统宽频有效的冲击缓冲性能。

图3 磁路示意图Fig.3 Schematic diagram of magnetic circuit

采用ANSYS有限元软件对缓冲装置磁路结构进行仿真分析，缓冲装置中磁流变弹性体的厚度为2 mm，采用的励磁线圈直径为0.6 mm，匝数为450匝，施加电流为2A时的1/2模型仿真结果如图4所示。结果显示在磁流变弹性体处的磁感应强度达到730 mT左右，符合设计和实验需求(聚氨酯基磁流变弹性体的动态性能变化范围集中在0～1 T内)。

图4 磁感应强度等值线图Fig.4 Contour map of magnetic induction intensity

2 实 验

为了评估磁流变弹性体缓冲装置的缓冲性能，本文选择两种不同的冲击激励方式，分别基于机柜导轨装置和电磁振动台搭建了自由跌落冲击试验系统和冲击响应谱试验系统，并对磁流变弹性体缓冲装置进行了自由跌落冲击试验和冲击响应谱试验。

2.1 自由跌落冲击试验

在OXF-B型机柜(重庆祥明仪表机箱有限公司)中安装MR微型滚珠线性滑轨(江苏通锦精密工业有限公司)作为导向装置，在润滑油的作用下，可忽略磁流变弹性体缓冲装置沿着滑轨自由跌落时的摩擦力，故该系统可用来模拟单自由度自由跌落冲击试验，测试系统如图5所示。系统主要包括机柜、滑轨、磁流变弹性体缓冲装置、安装架、加速度传感器、稳压电源、动态数据采集仪和计算机。将磁流变弹性体缓冲装置通过安装架固定于滑轨上，从一定高度让其自由跌落。试验中，跌落高度设置为150 mm，施加电流分别为0 A、0.5 A、1 A和1.5 A。自由跌落时的冲击和响应信号分别由两个加速度传感器采集，通过数据采集仪对信号进行记录，并传输至计算机进行分析和处理。

图5 自由跌落冲击试验系统原理图Fig.5 Schematic diagram of drop-induced shock test system

2.2 冲击响应谱试验

传统的冲击试验主要是以简单脉冲产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境，而实际环境中经常遇见的是变化持续时间的复杂冲击，因此使用半正弦脉冲等简单冲击作为试验规范不能模拟真实的冲击环境[19]。目前，国外许多研究者推荐采用等效损伤原则模拟复杂振荡型冲击环境，即用冲击响应谱来作为模拟冲击环境标准[20-21]。基于此，同时针对自由跌落试验中跌落高度不能精确可控的因素，本文还采用了冲击响应谱试验对磁流变弹性体缓冲装置的性能进行了评价，测试系统如图6所示。利用MPA406/M232A电磁振动系统(航天希尔测试技术有限公司)提供冲击激励，由给定的冲击响应谱合成复杂的时域冲击波形，并施加到磁流变弹性体缓冲装置系统进行冲击试验。

图6 冲击响应谱试验系统原理图Fig.6 Schematic diagram of shock response spectrum test system

由自由跌落的冲击加速度信号计算得其冲击响应谱如图7所示，为了与自由跌落冲击试验进行对比，根据等效损伤原则，通过电磁振动控制软件设置冲击响应谱试验参数应与之接近，设置的参数如下：

试验规范： 5 Hz，0.3 g

200 Hz，20 g

2 000 Hz，20 g

容差：±6 dB。

在振动台上设置以上试验条件后，采用自动循环优化后得到时域冲击波形，然后将该冲击施加到磁流变弹性体缓冲系统。试验中，对磁流变弹性体缓冲装置分别施加0 A、0.5 A、1 A和1.5 A的电流，由加速度传感器分别采集冲击和响应加速度信号，并进行分析和处理，观察在施加不同电流下的磁流变弹性体缓冲装置的缓冲效果。

图7 自由跌落冲击信号的冲击响应谱Fig.7 The shock response spectrum of drop-induced shock signal

3 结果及分析

3.1 实验结果

3.1.1 自由跌落冲击试验

图8 自由跌落试验的冲击及响应加速度信号Fig.8 Shock and response acceleration signals of drop test

自由跌落冲击试验中，施加不同电流后，采集的冲击激励加速度信号和不同电流下的响应加速度信号如图8所示，从图中可以直观地看出，响应加速度幅值相比激励加速度幅值都相应减小了。缓冲效果可用对应加速度幅值的下降率来评价

Br=|gr-gs|/gs×100%

(1)

式中:Br为缓冲率;gs为激励加速度峰值;gr为响应加速度峰值。

由式(1)计算出不同外加电流下磁流变弹性体缓冲装置的缓冲率如图9所示，可以看出随着外加电流的增大，缓冲率依次达到8.9%、17.6%、23.9%、31.2%，即设计的磁流变弹性体缓冲装置在有无外加电流作用时都起到了缓冲的作用，且随着外加电流的增大，其缓冲性能越好。

图9 不同电流下的缓冲率Fig.9 Buffer rate under different current levels

3.1.2 冲击响应谱试验

对磁流变弹性体缓冲装置进行冲击响应谱试验，施加不同电流后，采集到激励加速度信号和不同电流下的响应加速度信号如图10所示。由图10中的冲击及响应加速度幅值，计算得到缓冲率如图11所示。可以看到，随着外加电流的增大，磁流变弹性体缓冲系统的缓冲率依次达到69.7%、72.8%、74.6%和77.8%。磁流变弹性体缓冲装置在冲击加速度幅值处取得了很好的衰减效果，且其在冲击响应谱试验中的缓冲性能优于在自由跌落冲击试验中的性能。

图10 冲击响应谱试验的冲击及响应加速度信号Fig.10 Impact and response acceleration signals of shock response spectrum test

图11 不同电流下的缓冲率Fig.11 Buffer rate under different current levels

3.2 实验分析

从以上两个冲击试验可以得到，随着外加电流的增大，对应冲击的响应加速度幅值衰减越大，即磁流变弹性体缓冲装置起到了一定的缓冲作用，且可以实现外加电流对其缓冲效果的控制。此外，在更模拟真实冲击环境的冲击响应谱试验中，磁流变弹性体缓冲装置的缓冲性能优于自由跌落冲击试验。

在冲击载荷作用下，磁流变弹性体缓冲装置吸收的能量最大值为W(t)

(2)

式中，f(t)、u(t)分别为磁流变弹性体缓冲装置的力、位移值。通过电磁振动系统，搭建测试系统表征磁流变弹性体缓冲装置在不同外加电流作用下动态剪切的力-位移关系，测试结果如图12所示。该测试结果与MOLCHANOV等[22]所测结果一致，即随着测试磁场的增强，力位移曲线所包络面积越来越大，缓冲装置能量耗散能力越强。

图12 磁流变弹性体缓冲装置在不同电流下的力-位移曲线Fig.12 Force-displacement curve of the device under different current levels

在冲击激励下，磁流变弹性体在缓冲装置结构的层间发生剪切形变，从而引起刚度降低(应变增大，磁流变弹性体模量降低，如图1所示)，同时剪切分子层间摩擦耗能可使冲击后的响应迅速衰减[23]。此外，文献[24]分析了在不同阻尼比(0～1)和不同频率比(0～20)下的抗冲隔离器的冲击响应，结果表明在宽频范围内、最佳阻尼比(0.35)之前，随着抗冲隔离器的阻尼特性增强，冲击绝对加速度幅值衰减效果越好。本文试验的磁流变弹性体缓冲装置正处于该隔冲频率和阻尼范围内，且随着外加磁场的增大，由图12可知，磁流变弹性体缓冲装置的阻尼耗散能力越强，即冲击加速度幅值衰减效果越好。因此，在自由跌落冲击试验和冲击响应谱试验中，随着磁场增大，磁流变弹性体缓冲装置的缓冲效果越突出。

4 结 论

本文利用聚氨酯基磁流变弹性体为智能核心材料设计制作了一种剪切式缓冲装置。通过自由跌落冲击试验和冲击响应谱试验对磁流变弹性体缓冲装置的冲击响应性能进行了表征和测试。两种冲击试验结果表明，磁流变弹性体缓冲装置对冲击信号都有明显衰减作用，并且随着外加电流的增大，衰减作用越大，表明该设计能实现电流对缓冲效果的控制，这为磁流变弹性体用于半主动/主动隔振缓冲领域提供了重要的参考价值。

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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

国家自然科学基金资助项目(61203098)；中央高校基本科研业务费科研专项自然科学类资助项目(CD-JZR13120090)

2015-06-26 修改稿收到日期：2016-01-14

朱秘 女，硕士，1990年生

余淼 男，教授，博士生导师，1973年生

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.027