磁流變材料的應(yīng)用綜述

李凱權(quán)，代 俊，常 輝，黃 玨，石庚辰

(北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引言

磁流變材料是一種“智能材料”，它一般是微米級(jí)或納米級(jí)的鐵磁顆粒(一般為羰基鐵顆粒)沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液，同時(shí)還有少量的其他輔助溶液。根據(jù)載液的不同可以分為磁流變液和磁流變脂。磁流變材料中的鐵磁顆粒的體積分?jǐn)?shù)通常在20%～40%之間，它的流變學(xué)特性可以由外加磁場(chǎng)進(jìn)行控制，磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，磁流變材料所呈現(xiàn)出的性能也不一樣，磁流變材料的這種特性被稱(chēng)之為磁流變效應(yīng)。

磁流變(Magnetorheology，MR)效應(yīng)最早在19世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)，在隨后對(duì)磁流變效應(yīng)和磁流變材料的研究與應(yīng)用過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)磁流變材料不僅具有響應(yīng)速度快、流變性能變化范圍寬、可逆性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，還在材料控制、軍事等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大地潛力。近年來(lái)，隨著磁流變相關(guān)基礎(chǔ)研究的開(kāi)展，人們對(duì)磁流變材料及磁流變效應(yīng)的了解更加全面，其獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)吸引了諸多國(guó)內(nèi)外的科研人員對(duì)其進(jìn)行研究，磁流變材料的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但與此同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題亟待解決。深化對(duì)磁流變材料的認(rèn)知，恰當(dāng)合理地利用磁流變材料可以為包括軍事領(lǐng)域在內(nèi)的諸多領(lǐng)域的實(shí)際工程問(wèn)題提供更具創(chuàng)新性的、更好的解決方案。

本文在查閱大量與磁流變材料及其應(yīng)用相關(guān)的資料的基礎(chǔ)上，對(duì)目前磁流變材料及其應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，概括了制約磁流變材料大范圍、成熟化應(yīng)用所面臨的部分問(wèn)題，結(jié)合問(wèn)題提出了解決方案，為相關(guān)的研究人員提供參考。

1 磁流變材料特性研究現(xiàn)狀

磁流變材料具有許多特性，最重要的特性即磁流變效應(yīng)，也是目前被重點(diǎn)關(guān)注和利用的特性。所謂磁流變效應(yīng)，具體作用過(guò)程如圖1所示。當(dāng)外部磁場(chǎng)施加到磁流變材料上，鐵磁顆粒迅速被磁化為偶極子，并形成與磁場(chǎng)平行的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，磁流變材料從牛頓流體狀態(tài)變成了類(lèi)固體狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)大概在毫秒量級(jí)。磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，鏈化程度不同，磁流變材料所呈現(xiàn)出的狀態(tài)和性能也不一樣。上述變化過(guò)程是可逆的，當(dāng)外部磁場(chǎng)消失，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)消失，磁流變材料又迅速恢復(fù)到牛頓流體狀態(tài)。

圖1 磁流變材料在磁場(chǎng)下形成“鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)”的示意圖Fig.1 A schematic diagram of a “chain-linked structure” formed by a magnetorheological material under a magnetic field

目前關(guān)于磁流變材料特性的研究，大量的研究成果主要是針對(duì)它磁化后的行為模式，即對(duì)磁流變效應(yīng)發(fā)生后磁流變材料的表現(xiàn)和性質(zhì)進(jìn)行研究，Bingham、Herschel-Bulkley和Casson三種塑性模型是最具代表性的研究成果[1-3]。除了這三個(gè)常用的模型以外，還有一些其他針對(duì)磁流變材料特性或者性質(zhì)的研究成果。Mark R Jolly等人[4]提出了一個(gè)新的描述磁流變材料行為模式的模型，這個(gè)模型是基于給定結(jié)構(gòu)內(nèi)粒子間的偶極子相互作用，考慮到了磁場(chǎng)的非線性行為，同時(shí)具有描述磁流變材料的機(jī)械和磁特性的能力。G.Bosssis等人[5]提出了在橢球集合體、條紋和圓柱體的情況下計(jì)算磁流變液屈服應(yīng)力的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)模型。法國(guó)的K.Danas等人[6]針對(duì)鐵磁顆粒磁流變彈性體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和建模，運(yùn)用了試驗(yàn)和理論結(jié)合的方法對(duì)特定的磁流變彈性體進(jìn)行了研究，對(duì)特定的樣品進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，諸如單軸應(yīng)力測(cè)試等，并且提出了橫向各向同性能量密度函數(shù)(Transversely Isotropic Energy Density Function)來(lái)再現(xiàn)磁化、磁致伸縮、簡(jiǎn)單剪切曲線等情況，另外還提出了宏觀機(jī)制來(lái)解釋相應(yīng)的一些問(wèn)題，結(jié)合試驗(yàn)的情況表明所提出的模型不僅在中等磁場(chǎng)是準(zhǔn)確有效的，還能夠拓展到近飽和磁場(chǎng)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的X.Z.zhang等人[7]對(duì)磁流變液體的擠壓強(qiáng)化效應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行了研究，背景主要是因?yàn)槟壳皯?yīng)用中發(fā)現(xiàn)磁流變材料達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用所需要的強(qiáng)度，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法對(duì)擠壓強(qiáng)化效應(yīng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置，并且考慮到了改良的偶極子模型和摩擦效應(yīng)，提出了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的模型來(lái)解釋擠壓強(qiáng)化效應(yīng)。中科大的朱應(yīng)順等人[8]則針對(duì)磁流變液剪切屈服應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值分析，為了改善單鏈模型的準(zhǔn)確性，從磁相互作用能出發(fā)建立了磁流變液多鏈計(jì)算模型，分別對(duì)鏈狀、柱狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，最終發(fā)現(xiàn)，鐵磁顆粒濃度較小時(shí)，鏈狀結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力更大，當(dāng)鐵磁顆粒濃度較大時(shí)，柱狀結(jié)構(gòu)則更好。此外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的阮曉輝[9]對(duì)磁流變液的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，主要工作包括研究了具有空心結(jié)構(gòu)的磁性顆粒對(duì)磁性液體的流變性能和沉降性能的影響，研究了磁場(chǎng)、振蕩剪切、擠壓等外界因素對(duì)磁流變液性能的影響。

綜上所述，關(guān)于磁流變材料特性的研究很多，但都具有一定的適用局限性，且主要集中在磁化后模型的建立方面，有關(guān)磁流變材料特性的研究還有很多工作要做。為了更好地利用磁流變技術(shù)，全面認(rèn)識(shí)磁流變材料性質(zhì)或者特性是非常有必要的。

2 磁流變材料應(yīng)用現(xiàn)狀

基于磁流變材料自身獨(dú)特的性質(zhì)以及大量相關(guān)的基礎(chǔ)研究的進(jìn)行，磁流變技術(shù)被越來(lái)越多地被應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題，目前相對(duì)廣泛、成熟的應(yīng)用主要集中在離合器、阻尼器、軍事等領(lǐng)域。根據(jù)在實(shí)際的應(yīng)用情況，磁流變材料在應(yīng)用中的主要工作模式大致可分為三種，分別是閥模式、剪切模式和擠壓模式，工作模式示意如圖2所示。下面，就磁流變材料的典型應(yīng)用進(jìn)行綜述。

2.1 磁流變離合器

離合器是常見(jiàn)的一種傳動(dòng)裝置，其作用相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，常見(jiàn)的類(lèi)型有電磁離合器、摩擦離合器、液力離合器等，伴隨著磁流變技術(shù)的發(fā)展，磁流變離合器越來(lái)越受到重視和廣泛應(yīng)用。除了在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用磁流變材料研發(fā)磁流變離合器之外，越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始關(guān)注磁流變離合器。

圖2 磁流變材料常見(jiàn)的工作模式示意圖Fig.2 Illustration of common working modes for magnetorheological materials

鑒于人口老齡化的社會(huì)需求，研發(fā)和制造人性化的驅(qū)動(dòng)器來(lái)幫助老年人很有必要，而人性化驅(qū)動(dòng)器里面的離合器又是十分重要的部分。由于磁流變離合器在應(yīng)用中表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)緊湊、力矩可調(diào)、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際需求，日本的Takehito Kikuchi等人[10]利用磁流變液研制出了緊湊型磁流變離合器，離合器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，磁流變材料處于剪切工作模式。研究人員對(duì)所設(shè)計(jì)的樣品進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)扭矩、階躍響應(yīng)等測(cè)試，測(cè)試中使用了新鮮配置的混合均勻的磁流變液，測(cè)試結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期的效果，還在此基礎(chǔ)上制備并使用了新型的磁流變液替代傳統(tǒng)的磁流變液進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，證明了在這個(gè)離合器中新型的磁流變液和傳統(tǒng)的磁流變液相比沒(méi)有太大的區(qū)別。

圖3 緊湊型磁流變液離合器的基本結(jié)構(gòu)[10]Fig.3 Basic structure of compact magnetorheological fluid clutch

通常情況下，磁流變離合器中施加在磁流變液上的磁場(chǎng)由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生，意大利的R.Rizzo等人[11]創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種帶有永磁體的多間隙剪切式磁流變離合器。將施加在磁流變液上的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。新的設(shè)計(jì)是在其團(tuán)隊(duì)老的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)而來(lái)的，這種離合器的特點(diǎn)在于，開(kāi)關(guān)狀態(tài)是由氣動(dòng)制動(dòng)器進(jìn)行操作的，當(dāng)永磁體處于圖中的位置時(shí)，磁流變液被磁化，離合器處于接合狀態(tài)，當(dāng)永磁體軸向移動(dòng)離開(kāi)圖中的位置時(shí)，離合器則處于斷開(kāi)狀態(tài)。磁流變材料的使用克服了傳統(tǒng)離合器的磨損、大體積等缺陷。新的離合器進(jìn)行了數(shù)值模擬和原理樣機(jī)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和實(shí)際測(cè)試結(jié)果高度吻合。新的設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的磁化方式，為磁流變?cè)陔x合器中的應(yīng)用開(kāi)拓了新思路。除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改進(jìn)和優(yōu)化，加拿大的Peyman Yadmellat[12]針對(duì)磁流變離合器進(jìn)行了新的自適應(yīng)建模，提出了一個(gè)基于多項(xiàng)式近似的自適應(yīng)模型，包含了電流與磁場(chǎng)、磁場(chǎng)與輸出扭矩之間的建模。所提出的模型促進(jìn)了電流對(duì)輸出扭矩的控制的精確度的提高，并進(jìn)行了一系列的仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了新模型控制的精確性和高效性，新模型的提出對(duì)磁流變離合器未來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

圖4 永磁體磁流變離合器結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.4 Permanent magnet magnetorheological clutch structure

國(guó)內(nèi)也有很多單位針對(duì)磁流變材料在離合器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孟維佳[13]依據(jù)實(shí)際需求在充分學(xué)習(xí)和研究后選定了符合要求的磁流變液離合器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，首先確定了其本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)對(duì)比確定了雙平板式(又稱(chēng)作圓盤(pán)式)作為離合器的設(shè)計(jì)形式；接著對(duì)雙平板式磁流變液離合器傳遞力矩構(gòu)成進(jìn)行分析，運(yùn)用Bingham模型得到了傳遞扭矩的計(jì)算公式。然后對(duì)平板式離合器進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，還進(jìn)行了仿真和再優(yōu)化。哈工大的鄒剛[14]則針對(duì)杯狀磁流變離合器進(jìn)行了性能測(cè)試和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要的工作內(nèi)容包括對(duì)磁流變液離合器的扭矩分析，搭建磁流變液離合器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了測(cè)試，還針對(duì)改裝的磁流變液離合器在實(shí)驗(yàn)中暴露出的不足，設(shè)計(jì)一臺(tái)杯狀磁流變液離合器，并且進(jìn)行強(qiáng)度校核和仿真，給出優(yōu)化后的整體設(shè)計(jì)方案。除了常規(guī)的磁流變離合器，南京理工大學(xué)王炅教授課題組的胡紅生等人[15]針對(duì)裝甲車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)離合器傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)整的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用的磁流變液風(fēng)扇離合器。他們建立了磁流變離合器轉(zhuǎn)矩傳遞模型，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用磁路，還采用ANSYS軟件進(jìn)行了磁流變離合器的仿真，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的正確性，并加工試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。以上的測(cè)試過(guò)程中，都采用了混合均勻無(wú)明顯沉降的磁流變材料，取得了良好的測(cè)試效果。

2.2 磁流變阻尼器

阻尼器，顧名思義是提供阻尼、消耗運(yùn)動(dòng)能量的裝置。常見(jiàn)的有電磁阻尼器、液體阻尼器、氣體阻尼器等，隨著磁流變材料的發(fā)展，人們開(kāi)始更多的利用磁流變材料的特性來(lái)提供阻尼，于是磁流變阻尼器應(yīng)用而生。

馬來(lái)西亞的Fitrian Imaduddin等人[16]對(duì)目前已有的旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)和建模進(jìn)行了總結(jié)。首先對(duì)磁流變材料和其工作模式進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將磁流變阻尼器分為連續(xù)角和有限角兩種。在連續(xù)角磁流變阻尼器回顧中分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)角度分別對(duì)鼓式、盤(pán)式等連續(xù)角阻尼器進(jìn)行了介紹，在有限角阻尼器中，同樣從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了概述。除此之外，還在磁流變阻尼器理論建模方面進(jìn)行了概述，包括常用的三種模型基礎(chǔ)上的扭矩推導(dǎo)發(fā)展，對(duì)磁流變阻尼器發(fā)展過(guò)程中的一些存在的問(wèn)題進(jìn)行了介紹。作者對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行了比較全面的梳理，有助于更詳細(xì)地了解磁流變材料在阻尼器領(lǐng)域的應(yīng)用的研究、發(fā)展、優(yōu)缺點(diǎn)等。土耳其的Zekeriya Parlak等人[17]在前人的諸多磁流變阻尼器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究?jī)?yōu)化的目的主要是利用磁流變材料達(dá)到目標(biāo)阻尼力和最大磁通密度，在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，有限元分析、電磁場(chǎng)分析和磁流變流體的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析被有機(jī)的整合起來(lái)，針對(duì)具體的需求獲得了設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)值，然后制造了原型樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。在以往的設(shè)計(jì)和測(cè)試之中，關(guān)于磁流變材料在工作過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題很少有人討論。

南京航空航天大學(xué)的劉松[18]針對(duì)常見(jiàn)阻尼器的缺點(diǎn)，利用磁流變材料設(shè)計(jì)了如圖5所示新型半主動(dòng)磁流變阻尼器。它采用了最為常見(jiàn)的擠壓型工作模式，研究過(guò)程中不僅進(jìn)行了相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)，并結(jié)合仿真分析得出了特定的專(zhuān)用數(shù)學(xué)模型。接著制造了樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試中用到的均為混合均勻的磁流變材料，得到了包括漏磁、最大靜磁力和力與位移關(guān)系等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能。此外，還將其應(yīng)用于艦載設(shè)備隔振和直升機(jī)“地面共振”中，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求的同時(shí)還克服了常見(jiàn)阻尼器的缺陷，是磁流變材料的創(chuàng)新應(yīng)用。

圖5 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖[18]Fig.5 Magnetorheological damper structure

東南大學(xué)的高瞻等人[19]在參考以往設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了克服以往阻尼器體積大、輸出力矩小的缺陷，利用磁流變材料設(shè)計(jì)出一種蛇形磁路多片式磁流變液阻尼器，具有體積小、力矩大的特點(diǎn)。蛇形磁路是由阻尼器內(nèi)部的導(dǎo)磁元件、隔磁原件和磁流變液共同形成的，創(chuàng)新性地使用了鐵磁密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠密封。阻尼器的數(shù)學(xué)模型是基于Bingham塑性模型的，在運(yùn)用ANSYS仿真后對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求。磁流變材料的應(yīng)用，為工程問(wèn)題的解決提供了更好的方案。除了利用磁流變材料進(jìn)行新型阻尼器的研發(fā)，浙江大學(xué)的史衛(wèi)領(lǐng)[20]針對(duì)磁流變材料在阻尼器中的工作情況進(jìn)行了性能分析和理論模型研究，有利于優(yōu)化和提高施流變阻尼器性能與質(zhì)量，研究磁流變阻尼器動(dòng)力學(xué)模型更是對(duì)磁流變阻尼器的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

2.3 磁流變減速器

除了上面的離合器、阻尼器，還有一種比較常見(jiàn)的應(yīng)用磁流變材料的裝置——減速器(Brakes)。目前，磁流變減速器根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同大致可分為盤(pán)式和鼓式兩種。

新加坡的南洋理工大學(xué)W.H.Li等人[21]設(shè)計(jì)了一種新型的盤(pán)式磁流變減速器，機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。設(shè)計(jì)的理論模型是Bingham塑性模型并進(jìn)行了特定的修正，設(shè)計(jì)過(guò)程中包含了磁流變液的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力分析、盤(pán)式減速器的分析、設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)和減速器的組裝。然后搭建了專(zhuān)用的試驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)設(shè)計(jì)的減速器進(jìn)行了測(cè)試。在評(píng)估性能的過(guò)程中，引入了放大因子，讓評(píng)估的結(jié)果更加精確。磁流變材料的使用可以大大地減小減速器的軸向尺寸。

隨著現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，與之相關(guān)的一些裝置也隨之出現(xiàn)，磁流變材料作為一種受控智能材料，很快就被應(yīng)用于了這個(gè)領(lǐng)域。美國(guó)的Jonathan Blake等人[22]為虛擬現(xiàn)實(shí)中使用的觸覺(jué)手套設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的減速器。由于手套提供給減速器空間十分有限，傳統(tǒng)的方案不太可行，而磁流變材料的特性使得減速器可以做的非常緊湊而且小巧且滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中采用了蛇形磁路提高磁通量的密度，蛇形磁路的構(gòu)成如圖7所示。美國(guó)的Berk Gonenc等人[23]在通過(guò)觸覺(jué)反饋實(shí)現(xiàn)虛擬針插入的過(guò)程中采用了同樣小巧的帶有霍爾傳感器的磁流變減速器，減速器的設(shè)計(jì)中也采用了蛇形磁路和Bingham塑性模型，將霍爾傳感器嵌入到減速器中，很好的解決了遲滯問(wèn)題和關(guān)閉狀態(tài)下的參與扭矩問(wèn)題。相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果表明磁流變減速器對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)設(shè)備是非常優(yōu)秀的方案。

加拿大維多利亞大學(xué)的Edward J.Park等人[24]則利用磁流變材料的特性針對(duì)汽車(chē)的減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種帶有滑?？刂破鞯拇帕髯儨p速器，從結(jié)構(gòu)上來(lái)屬于旋轉(zhuǎn)盤(pán)式減速器，如圖8所示。在初步設(shè)計(jì)和仿真的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了模擬退火、傳熱分析、靜磁力分析等手段進(jìn)行了優(yōu)化，還設(shè)計(jì)了滑模控制器。最終的仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的滑?？刂破骱痛帕髯儨p速器完美的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，獲得最佳滑移控制且具有防抱死功能，是一個(gè)成功的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

圖6 盤(pán)式磁流變減速器結(jié)構(gòu)示意圖[21]Fig.6 Disc type magnetorheological brake structure

圖7 蛇形磁路示意圖[22]Fig.7 Serpentine magnetic flux path

圖8 磁流變減速器的基本配置Fig.8 Basic configuration of magnetor-heological brake

在充分掌握多種磁流變減速器的基礎(chǔ)上，法國(guó)的Carlos Rossa等人[25]對(duì)磁流變減速器的設(shè)計(jì)細(xì)則進(jìn)行了總結(jié)梳理，提出了磁流變減速器的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還對(duì)磁流變材料對(duì)減速器的性能的影響進(jìn)行了探究。印度的Satyajit R.Patil等人[26]針對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)了一款磁流變液減速器，特別值得關(guān)注的是他們?cè)趯?duì)磁流變減速器進(jìn)行了測(cè)試時(shí)增加了發(fā)熱測(cè)試，采用了計(jì)算機(jī)輔助分析和試驗(yàn)相結(jié)合的手段探究工作過(guò)程中摩擦發(fā)熱對(duì)磁流變材料性能和磁流變減速器性能的影響，這一研究對(duì)磁流變材料在減速器中的成熟商業(yè)化應(yīng)用有很大的指導(dǎo)意義。

2.4 磁流變其他應(yīng)用

除了離合器、阻尼器和減速器，目前磁流變材料還有一些其他方向的初步應(yīng)用。

鑒于工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常存在運(yùn)動(dòng)物體停止的過(guò)程，而這樣的過(guò)程往往會(huì)產(chǎn)生沖擊，這是人們所不希望的，所以減震器就變得很重要。波蘭的波茲南理工大學(xué)的Andrzej Milecki等人[27]利用磁流變材料設(shè)計(jì)了磁流變工業(yè)減震器，結(jié)構(gòu)如圖9所示。這種減震器是可以控制運(yùn)動(dòng)物體的停止過(guò)程的一種半主動(dòng)式的減震器，可以針對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能調(diào)整制動(dòng)力的大小，研究人員對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和理論模型建立，還進(jìn)行了試驗(yàn)，同時(shí)闡述了對(duì)減震器的控制方案。

意大利的Antonio Lanzotti等人[28]針對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)了一種半主動(dòng)磁流變差速器，研究中創(chuàng)新性的采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)、逆向工程技術(shù)、多物理場(chǎng)仿真技術(shù)等技術(shù)，制造了樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明使用磁流變材料效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

香港中文大學(xué)的H T Guo等人[29]設(shè)計(jì)了一種新型的多功能旋轉(zhuǎn)式磁流變液致動(dòng)器(執(zhí)行器)，區(qū)別于以往磁流變材料應(yīng)用的單一功能性，開(kāi)始向多功能集成化方向發(fā)展，如圖10所示。執(zhí)行器在不同工作模式下，可以充當(dāng)馬達(dá)、離合器或減速器。之所以設(shè)計(jì)這樣一種多功能的器件，主要是因?yàn)閷?shí)際需要中可提供的空間十分有限，容不下多個(gè)器件，而使用磁流變材料則完美地解決了空間有限和多功能的問(wèn)題。研究人員對(duì)這種新器件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和工作原理進(jìn)行了詳盡的介紹，并制造了原理樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。與上文中提到的離合器設(shè)計(jì)類(lèi)似，在這個(gè)設(shè)計(jì)中也用到了永磁體替代勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。此外，香港中文大學(xué)的J Z Chen等人[30]針對(duì)殘疾人士和行動(dòng)不便的人所使用的輔助膝蓋支撐設(shè)計(jì)了磁流變致動(dòng)器，同樣是具有體積小、多功能的特性。這些研究和創(chuàng)新反映出磁流變材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)——多功能集成化。

中國(guó)民航大學(xué)的盧銘濤[31]在參考前人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機(jī)起落架減震器的實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)了一種新的飛機(jī)起落架磁流變減震器。其創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種環(huán)形間隙流與油針共同作用的磁流變減震器，對(duì)減震器的結(jié)構(gòu)、磁路、油針等進(jìn)行了設(shè)計(jì)后進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，最后進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)減震器的性能進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明新型減震器優(yōu)于傳統(tǒng)的減震器。

華東交大的張海云、胡國(guó)良等人[32-33]運(yùn)用磁流變材料研究和設(shè)計(jì)了磁流變閥，同樣的采用了ANSYS仿真與測(cè)試相結(jié)合的方法，為磁流變其他應(yīng)用的設(shè)計(jì)提供了研究方法的指導(dǎo)。昆明理工大學(xué)的吳張永等人[34]針對(duì)具體情況設(shè)計(jì)了一種工作間隙中置的磁流變閥，如圖11所示，并對(duì)其性能特性進(jìn)行了研究，創(chuàng)新了磁流變閥的設(shè)計(jì)形式。

圖9 磁流變減震器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Magnetorheological shock absorber structure

圖11 磁流變閥的結(jié)構(gòu)示意圖[34]Fig.11 Magnetorheological valve structure

除了單個(gè)應(yīng)用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，清華大學(xué)的馬良旭[35]則針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的磁流變液制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。在對(duì)磁流變液進(jìn)行研究后，提出了關(guān)于磁流變液剪切應(yīng)力的高精度擬合方法，提出了磁流變液制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法并設(shè)計(jì)了多種制動(dòng)器，搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行了測(cè)試，最后還針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的磁流變液制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，新的磁流變液制動(dòng)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)性能上有了大幅改進(jìn)。

此外，湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心的尹韶輝等人[36]利用磁流變材料開(kāi)發(fā)了小口徑非球面斜軸磁流變拋光技術(shù)，工作原理如圖12所示。拋光試驗(yàn)的結(jié)果表明，這項(xiàng)新型拋光技術(shù)克服了傳統(tǒng)的剛性工具拋光，能夠達(dá)到納米級(jí)粗糙度，很有應(yīng)用前景。

2.5 磁流變軍事應(yīng)用

眾所周知，軍事科技一直是人類(lèi)科技進(jìn)步與發(fā)展的排頭兵，新材料的應(yīng)用亦是軍事科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)。由于磁流變自身的特殊性質(zhì)，它在軍事應(yīng)用潛力很早就受到了人們的重視，歷經(jīng)長(zhǎng)期的發(fā)展，目前已經(jīng)有了一些相對(duì)成熟的應(yīng)用。

美國(guó)麻省理工學(xué)院運(yùn)用磁流變材料開(kāi)發(fā)出了新型的防護(hù)設(shè)施。他們將機(jī)織纖維的防彈衣半成品浸泡于磁流變液中，磁流變液充滿(mǎn)織物的空隙中。當(dāng)衣服上的傳感器檢測(cè)到?jīng)_擊波或者瞬態(tài)的沖擊時(shí)，衣服里面的電源被啟動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得磁流變液在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)成為堅(jiān)硬的固體，從而達(dá)到抗沖擊的目的[37]。美國(guó)的Marathe S等人[38]將剪切模式磁流變阻尼器的Bingham塑性模型與直升機(jī)的旋翼的空氣力學(xué)模型結(jié)合形成一個(gè)系統(tǒng)模型，采用2種方法(on-off控制和線性反饋控制)分析阻尼器的控制效果，對(duì)磁流變阻尼器的控制方式進(jìn)行了探索和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

中北大學(xué)的黃繼[39]將磁流變材料應(yīng)用于自動(dòng)武器的緩沖系統(tǒng)中，研究了沖擊載荷下磁流變液高速剪切情況并探究了磁流變緩沖系統(tǒng)參數(shù)化動(dòng)力學(xué)模型；從器件響應(yīng)時(shí)間和磁流變液體響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)方面對(duì)沖擊載荷下磁流變緩沖系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了討論；提出一種狀態(tài)預(yù)測(cè)的新方法，并獲得高預(yù)測(cè)性能的支持向量回歸模型；利用TMS320LF2407對(duì)自動(dòng)武器緩沖系統(tǒng)中應(yīng)用的磁流變緩沖系統(tǒng)的電流驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終通過(guò)模擬和驗(yàn)證，證明所設(shè)計(jì)的自動(dòng)武器緩沖系統(tǒng)是十分有效的。

除此之外，南京理工大學(xué)王炅教授團(tuán)隊(duì)的常娟[40]將磁流變材料應(yīng)用到了彈藥引信的延期解保機(jī)構(gòu)中。他們首先研究了豎向彈簧式磁流變延期解保機(jī)構(gòu)，主要的工作過(guò)程是：平時(shí)狀態(tài)下，磁流變液在永磁體產(chǎn)生的較強(qiáng)磁場(chǎng)作用下呈現(xiàn)類(lèi)固態(tài)，擋住擊針上移，起到隔爆作用來(lái)保證平時(shí)的安全。在彈丸發(fā)射時(shí)，永磁體在后坐力的作用下剪斷剪切銷(xiāo)下落，磁流變液迅速恢復(fù)流動(dòng)性，在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定大小時(shí)，磁流變液開(kāi)始泄流。當(dāng)磁流變液泄流完畢后，擊針復(fù)位從而使引信解保。他們團(tuán)隊(duì)的陸靜、趙亞楠、鄭彩軍[41-43]在已有的研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)式的磁流變延期解保機(jī)構(gòu)，如圖13所示，其工作基本原理是平時(shí)磁流變液在在永磁體作用下阻礙活塞的移動(dòng)，從而限制了隔爆轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。在彈丸發(fā)射后，永磁體剪切銷(xiāo)剪斷下落，磁流變液恢復(fù)為流動(dòng)性良好的牛頓流體。當(dāng)彈丸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定大小時(shí)，泄流孔打開(kāi)，磁流變液便開(kāi)始泄流。當(dāng)流體泄流完畢后，引信解除保險(xiǎn)。他們不僅進(jìn)行了原理性的設(shè)計(jì)，還針對(duì)不同大小口徑的彈藥進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)和分析，還做了仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。這一研究成果是對(duì)磁流變材料在軍事領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用，可以說(shuō)是對(duì)磁流變材料的應(yīng)用提供了新的思路和方向。

北京理工大學(xué)的常輝等人[44]則把磁流變材料應(yīng)用于引信用的微小型渦輪式磁電發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制裝置中，如圖14所示，將轉(zhuǎn)軸沉浸在磁流變材料中，利用勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)控制磁流變材料產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，改變磁流變材料施加在轉(zhuǎn)軸上的阻尼力矩的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用了混合均勻的懸浮液，沒(méi)有評(píng)估連續(xù)控速過(guò)程中發(fā)熱的問(wèn)題所帶來(lái)的影響，并未探究到發(fā)熱和長(zhǎng)時(shí)期儲(chǔ)存的沉降問(wèn)題，這項(xiàng)技術(shù)若要投入實(shí)用還有一些工作要進(jìn)行。

圖12 磁流變拋光技術(shù)示意圖[36]Fig.12 Magnetorheological polishing technology

圖13 旋轉(zhuǎn)式磁流變延期解保機(jī)構(gòu)示意圖[41]Fig.13 Rotary magnetorheological delay arming mechanism

圖14 磁流變控速的渦輪式磁電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Structure of turbine-type magnetoelectric generator with magne-torheological velocity control device

3 磁流變材料應(yīng)用中的問(wèn)題及解決途徑

前文對(duì)目前磁流變材料特性研究及應(yīng)用的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，通過(guò)上面的簡(jiǎn)介，可以看出目前磁流變材料的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一些成果，但磁流變材料想要大規(guī)模、商業(yè)化、成熟化應(yīng)用仍面臨著三大主要問(wèn)題：

1)理論模型問(wèn)題

關(guān)于磁流變材料的理論研究水平較低，針對(duì)磁化后的行為模式至今尚沒(méi)有一套完整而準(zhǔn)確的理論模型，理論對(duì)實(shí)際的指導(dǎo)意義有限，無(wú)論是離合器、阻尼器還是其他應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，都不可避免的建立了新模型或者對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行修正，側(cè)面印證了這個(gè)問(wèn)題。

2)沉降問(wèn)題

目前磁流變材料的應(yīng)用在開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程中，均采用混合均勻的磁流變材料取得了良好結(jié)果，但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁流變材料被靜置過(guò)后就會(huì)產(chǎn)生沉降，使得產(chǎn)品效果大打折扣，即使已經(jīng)在制作磁流變材料時(shí)加入了抗沉降的成分，但沉降問(wèn)題仍然比較嚴(yán)重。

3)工作溫度范圍問(wèn)題

在諸如離合器、阻尼器等絕大多數(shù)應(yīng)用中，磁流變材料工作均會(huì)摩擦發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高，同時(shí)工作環(huán)境溫度也會(huì)不同，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)材料溫度會(huì)大大影響磁流變材料的特性，進(jìn)而影響產(chǎn)品的工作效果，在開(kāi)發(fā)測(cè)試過(guò)程中往往容易忽略且相關(guān)研究成果較少，想要擴(kuò)大磁流變材料的應(yīng)用工作溫度范圍問(wèn)題必須解決。

針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合目前的發(fā)展現(xiàn)狀，就解決實(shí)際問(wèn)題推動(dòng)磁流變材料應(yīng)用的發(fā)展，提出解決方案和建議：

1)理論模型方面

加大磁流變材料基礎(chǔ)研究投入，建立一套完備而準(zhǔn)確的有關(guān)磁流變材料行為理論模型，全面而準(zhǔn)確的刻畫(huà)磁流變材料在磁場(chǎng)中的行為，克服以往理論的特殊性和局限性，提升理論水平，提高理論模型的適用范圍和指導(dǎo)性作用。

2)沉降改善方面

磁流變材料多為懸浮混合物，長(zhǎng)時(shí)間靜置以后就會(huì)產(chǎn)生沉降，制約了磁流變材料的儲(chǔ)存和應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)加大研究力度，不局限于往懸浮液中添加一些輔助的溶劑和物質(zhì)來(lái)改善抗沉降性能，可以重新設(shè)計(jì)它的構(gòu)成、存在形式等，努力從根本上克服沉降問(wèn)題，增強(qiáng)實(shí)用性。

3)工作溫度范圍問(wèn)題方面

從多方面下手，可以嘗試改變組成成分等多種方案，增強(qiáng)磁流變材料的散熱能力或降低吸熱能力，降低材料對(duì)溫度的敏感性從而減小溫度變化對(duì)材料性能的影響，擴(kuò)大磁流變材料的工作溫度范圍。

4 結(jié)論

由于磁流變材料獨(dú)有的性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展如今已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，也解決了一些工程問(wèn)題，但要大規(guī)模成熟化應(yīng)用磁流變材料還有許多工作要做?；谄鋸V闊的應(yīng)用前景，越來(lái)越多的科研工作者開(kāi)始參與到磁流變材料的研究和應(yīng)用中來(lái)，計(jì)算機(jī)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，更是加速了磁流變材料發(fā)展和應(yīng)用的進(jìn)程。本文對(duì)磁流變材料的特性研究進(jìn)行了簡(jiǎn)介，主要對(duì)磁流變材料應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，針對(duì)現(xiàn)狀概括了應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并結(jié)合問(wèn)題提出了解決方案，可為相關(guān)科研工作者提供參考。把握發(fā)展方向，著力解決存在的問(wèn)題，相信磁流變材料的發(fā)展應(yīng)用會(huì)越來(lái)越成熟廣泛，智能磁流變材料也將為人類(lèi)社會(huì)做出更多貢獻(xiàn)。