局部磁场作用下磁流变弹性体夹层梁振动特性研究

机 械 设计 与 制造Machinery Design & Manufacture第 10期2013年 l0月局部磁场作用下磁流变弹性体夹层梁振动特性研究龙 铭，胡国良，王少龙(华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室，江西 南昌 330013)摘 要：设计和制备了中间层为含铁磁颗粒质量比为 80％的磁流变弹性体材料，上下表面层为铝合金的磁流变弹性体夹层梁。在局部磁场作用下搭建了磁流变弹性体夹层梁悬臂状态下的振动响应特性测试实验台。实验结果表明，通过在夹层梁水平方向移动永久磁铁，即局部外加磁场由夹层梁的固定端向自由端移动时，其一阶振动频率有逐步减小的趋势。

同时，通过沿夹层梁垂直方向移动永久磁铁改变磁场强度的大小，此时夹层梁的一阶振动频率在外加磁场强增大时也呈减小趋势。两组实验均表明在局部磁场控制下能有规律地改变磁流变弹性体夹层梁的一阶振动频率。根据这种变化规律有望设计出频率变化范围更宽的移频装置。

关键词：磁流变弹性体(MRE)；夹层梁；局部磁场；振动响应中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：lO01—3997(2013)10—0060—03Analysis of Vibration Characteristics of MaqnetOfheOIOqicaI ElastomerSandwich Beam under Localised Magnetic FieldsLONG Ming，HU Guo—liang，WANG Shao—long(Key Laboratoc~of Ministry of Education for Conveyance and Equipment，East China Jiaotong University，Jiangxi Nanchang3300l3．China)Abstract：A magnetorheologica!elostomer(MRE)with 80％iron moss w(is manufactured，and the MRE sandwich beam W03alsofabricated by treating with MRE between two thin aluminum layers．The experiment test rig set up to investigate thevibration respor~se of the MRE sandwich cantilever beam under non—homogeneous magnetic fields．The experimental resultsshow that the first naturalfrequency ofthe MRE sandwich beam decreased珊the magnetic field tht~t applied on the beam ∞movedfrom the clamped end ofthe beam to the e end ofthe beam．It is also obvious that the MRE sandwich beam had thecapabilities of shiftingfirst natural frequency when the magnetic field increased in the specifed activation regior~.

These experiment tests all show that the ￡naturalfrequency Can be changed under the control ’the non—homogeneota~magnetic fields，which provide guidance for the developrnent a frequency controlable device with wide frequency boltd.

Key Words：Magnetorheological Elastomer(MRE)：Sandwich Beam；Non-Homogeneous Magnetic Field；VibrationResponse1引言作为智能材料领域里的 一个重要分支 ，磁流变弹性体(MRE)在外加磁场作用下流变特性会发生显著的变化。MRE一一般由可极化的铁磁性颗粒和聚合物基体组成。在制备过程中，磁性颗粒在外加磁场作用下会形成链状或柱状结构，而同化后磁性颗粒将保持这些结构不变，从而获得各向异性的材料。目前国内外已经有许多关于 MRE的材料制备、理论建模及工程应用方面的研究I 。近年来，关于MRE夹层梁的研究也日益兴起。借助表面金属层提高 MRE零场强下的柔性刚度，通过改变外加磁场大小来研究 MRE夹层梁的振动特性，有助于设计初始刚度大、频率调节范围宽的变频阻尼结构151。一些科研人员采用能量法对 MR夹层梁振动响应特l生作了具体分析，并搭建实验台对简支梁进行了实验分析比较，结果表明 MR简支夹层梁具有减幅移频特性 。

一 些科研人员通过有限元分析研究了单层 MRE夹层梁结构参数埘场强的影响规律，发现在低频范围内，MRE火层梁的动态刚度叮川质量一弹簧系统来模拟 。一一些科研人员在均匀磁场作用下对MRF夹层梁的振动响应特性进行了实验测试和分析，结果表明，往外加磁场增大的情况下，夹层粱的振动响应幅值减少，一阶振动频率增大181。目前国内外关于MRE夹层梁振动特性研究结果主要是在均匀磁场作用下得f“的，对局部磁场作用下 MRE夹层梁振动特性的研究未见报道。基于此 ，制备了铁磁颗粒质量比为80％的 MRE夹层梁，并通过实验分析局部磁场作州下 MRE夹层梁一阶振动频率的变化规律。

2 MRE夹层梁制备MRE主要由聚合物基体和分散的磁性颗粒两部分组成。实验中选用硅橡胶和硅油作为聚合物基体，选用羰基铁粉为磁性颗来稿日期：2012-12—15基金项目：国家自然科学基金项目(51165005)；江西省教育厅科技项 目(GJJ13341)；载运l：具与装备教育部萤点实验窀资助项目(11JD02)作者简介：龙 铭，(1963一)，男，汀两吉安人，副教授，主要研究方向：虚拟样机技术、机械CAD／CAM；胡国良，(1973一)，男，江西南禺人，博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向：MRE／MRF基础理论及应用第l0期 龙 铭等：局部磁场作用下磁流变弹性体夹层梁振动特性研究 6l粒 其I{1羰 铁粉、硅油干¨硅橡胶的混合比例为 8：1：1。首先，将120克的碳基铁粉颗粒倒入容器l1】，然J 』JlJ入 15克的能油，冉将l5克的硅像胶加进去进行均匀搅拌。待混合液体c}1的 泡除去后将其倒入模具中，经过事温下24h的刚化，MRE样 ；IT『便制作完成，其中羰l肚铁粉的质il{=比约f 80％。

MRE央 梁的结fj．J ．如 1(a)所爪、它由i 中勾成：底层和顶层为均匀厚度的针{合 材料，rf1M 为 MRE 所没汁的MRE夹层梁长度 L=360lIll1I宽度为 B=40mm，顶层神I底层的铝层厚度为 J^=1．61 Inln，[}1M MIlE层 艘为h 2=1．88 rain、制备时先将底层销合金板放入 寸为(5OOx40x3)HIIn的钢板憎巾，接着将配置好的粘侧状的 MRE均匀涂抹往底层铝合金表 【 ，白：至与矩形边界层上表面平齐。然后将顶层铝合金板与 MRE 均匀粘合 ，并往顶层 合金扳 f 施加 力，使得央层梁上表面 钢板平行。最后 央层梁J 放置一块厚重的钢板，并在宅温 下同化24h。即为『占1化后的 MIlE夹层梁，如 1(h)所示.

(b)【剐化后的 MRE央层梁罔 1磁流变弹性体夹层梁结构图} ig l The S(．hemati~’of Mt／E Sandwich Beanl3 MRE夹层梁振动特性实验分析整个MRE央层梁振动特怊：分析实岭臼， 2所爪 制备好的 MRE夹层梁一端 试验俞 定火紧，另一端呈 ?I1状念，形成悬臂梁结构 整个： 验台包括～对水久磁铁组 、激 传感器、激振器、功率放久器、DAQ采集 卜以及 >VIEW可编 控制器件等· ’ I M ?“
一 T、 - ·I j1 ”。u ‘； l 冀 jI 靴 琵≯ ， 一jAI I· t¨Omnl E 当 上 。

(a)文验系统原理绀中勾罔(1 )实验系统旦《{片图2 MRE夹层梁实验平行Fig 2 Experiment Test Rig for MIlE Sandwich Bean整个实验过 如下 ：数 采集 发}{J的信 通过功率放火器传至激振器，M RE_央层梁在激抓器的作用下产乍振动，激光传感器将实时检测刮的 MIlE夹层梁的振动数据通过数据采集一14送人主机『fi，通过 l at~VIEW编程就IIJ‘以处理这些采集进来的信号，懿后I『得剑有关一阶振动频率及振幅等振动响应实验结果。

实验时，IJiJl，V1EW使用扫顿范 任 (0～30)Hz的正弦波信其增量为0．IHz。没置激励电信号为 —I50mV。外加磁场由两水久磁铁提供 ，为r提高所施JIJ的外加场强，每一绀永久磁铁l{1 卣方向瓮加的j块小磁铁组成，两组电磁铁可同时沿 轴力‘ Ih MRE夹 梁的 定端向门f}I端移动MIlE夹层梁 500Gs场强作Hj卜的振动响晰情况，如图 3所爪．实验时，两磁儆之『}IJ的距离为95 nll(y,：45 Illl，1_-=50lln)，用心斯仪町测}{j两磁做作川中心化 MRE夹 梁的场强大小为500( }h图 Ⅻ，随着 距离的增人，即局部外加磁场f}1悬臂梁的 定端向自由端方向移动时， 一阶振动频率打减小的趋势。

九场强作J}j下的一阶振动频率为 13．3ttz； x=25．5cm时，其一 阶振动频率 =12．1Hz，-I5介掀动频率降低 了9％MIlE夹层梁 700 Gs场强作}H下的振动响心情况，如 4／)DJ~．实验时，两磁檄之I．HJ的距离为85 nlf¨(y]=40,nm，y2=45mm)，川离斯仪【1T测ItlI从j磁檄作用中一6C／．践 MItE夹层梁的场强大小为700Gs 由I冬i ur知， 部外加磁场tIt怂臂梁的同定端向F{卜h端方向移动时，其一阶振动频牢也存减小的趋势 ．当x：25．5 ·in时，此时一 阶振动频率 =l】．7 Hz。与无场强作用 FV,J振动频率相比，一阶振动频率 降 r 12％频率(Hz)图 3 MRE夹 梁在5OOGs场强作Ⅲ下的振动响应Fig．3 Vii)rati(al Response of MRE Sandwich Beamat 5OOGs Magne[ic Fieht Intensity{日!率(Hz1图4 MRE夹层粱在70OGs场强作用下的振动响应Fig．4 Vi}Jration Response of MRE Sandwich Beamat 700(；s Magneti<‘FM d Intensity小同磁场强度作川下 MRE"夹层梁 一阶振动频率的变化62 机械设计与制造No．10Oct．2013关系，如图 5所示。实验过程中，通过调整 y 和 的距离来改变磁场强度的大小。当磁场强度 B=I 100Gs时，两磁极之间的距离为 70 mm(yl=35mm，y~=35mm)。从图5可以看出，当两组永久电磁铁作用在夹层梁某一位置时，容易看出随着外加场强的增大 ，MRE夹层梁的一阶振动频率逐渐减小，即显示出频率左移的趋势。例如，当x=23cm，G=I100Gs时，其一阶振动频率fi=10．4Hz。与零场强作用下的一阶振动频率相比较，振动频率降低了约21．8％。

位移(cm)图5不同场强作用下 MRE夹层梁一阶振动频率变化Fig．5 Experimental First Natural Frequency underDifferent Magnetic Field Intensity4结束语外加均匀场强作用下，许多关于MRF夹层梁的研究表明，MRF夹层梁的一阶振动频率随着外加磁场强度的增大而增大，即有频率右移的趋势。但研究表明，在局部磁场作用下，随着外加参考文献[1]G．Y．Zhou．Shear properties of a magnetorheological elastomer[Jj．SmartMaterialsandStructures，2003(12)：139—146.

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(Zhou Gang-yi．Mechanical behavior ofMR elastomer and the structure of磁场强度的增大，MRE夹层梁的一阶振动频率却逐渐减少，即存 [8 3在频率左移的趋势。从实验中也可以看出，当外加磁场为700Gs时，MRE夹层梁的一阶振动频率随着两组永久磁铁沿 轴的右移下降了 12％；而当x=23cm，外加磁场强度由 0 Gs增加至1100Gs时，夹层梁的一阶振动频率下降了约21．8％。根据这种随着外加磁场强度增大频率变小以及频率从固定端向自由端方向减少的特陛，有望设计出频率变化范围更宽的移频阻尼装置，进一 步拓宽 MRE的工业应用。

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