多級線圈驅動的磁流變彈性體夾層梁結構設計與實驗

摘要：梁結構存在于建筑橋梁、飛機壁板等多種工程中，由于其低剛度、低阻尼特性，易產生低頻大幅振動，造成結構疲勞損傷甚至破壞。針對傳統夾層梁的結構參數固定、自適應性差等問題，提出基于磁流變彈性體的磁控智能夾層梁結構，能夠在磁場作用下根據外界激勵的變化，自適應調整結構的剛度和阻尼，實現振動的有效抑制。首先，針對傳統夾層梁磁場施加困難、在空氣中磁場衰減大等問題，提出內置多級線圈驅動的磁控夾層梁結構；其次，基于磁流變彈性體材料特性，分析了器件減振機理。最后，通過COMSOL 仿真對磁控夾層梁進行磁場仿真，發現在3 A 電流的作用下夾層梁的一階固有頻率由 6.22 Hz 變為9.16 Hz，阻尼比增大64.4%，驗證了磁流變彈性體夾層梁的變剛度、變阻尼特性。通過多個頻率激勵實驗驗證了內置多級線圈驅動的磁控夾層梁的寬頻隔振性能。

關鍵詞：磁流變彈性體；夾層結構；阻尼比；振動分析

中圖分類號：TB535 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-018-08

航空航天飛行器、橋梁、房屋、船舶等使用的許多結構件可簡化為懸臂或簡支的梁模型[1-4]。在外界寬頻時變擾動作用下，會發生劇烈的低頻振動，對工程機械的結構穩定性和安全性等造成嚴重的影響，引起結構材料的疲勞損害，降低結構的使用年限。為了減少梁的振動和噪聲，工程上常通過附加黏彈性材料以提高系統阻尼比[5]。但傳統的黏彈性材料無法實時調節系統剛度和損耗因子，在受到寬頻振動激勵時，難以滿足夾層梁的減振需求。以磁流變彈性體（magnetorheological elastomer， MRE）為代表的新型智能材料在振動控制領域的廣泛應用[6-7]，提供了新思路。

作為一種適用范圍廣泛的新型智能材料，MRE 具有優異的磁控變剛度力學特性，儲能模量可隨外加磁場的增大而增大，表現出明顯的磁流變效應[8]。在未施加磁場時，MRE 保留了傳統橡膠材料的黏彈性特征，具有較大的黏性和彈性。而在外加磁場下，其剪切模量與損耗模量可以實現瞬時可控的可逆變化[9]。基于MRE 的磁控特性，研究人員借鑒傳統工程減振降噪中的黏彈性約束阻尼結構，將MRE 作為智能內芯，設計了MRE 夾層結構用于柔性梁和薄板的阻尼減振[10-12]。

MRE 夾層梁作為磁控智能減振器件，磁場的分布和施加形式會影響MRE 夾層結構的減振效果與實際應用。目前的勵磁裝置主要分為永磁式和電磁式。永磁式的勵磁方式大部分通過將永磁體放置在夾層梁的兩側[13-15]再通過人為改變磁鐵與夾層梁的間距改變磁場的大小。以永磁體作為勵磁裝置的方式難以實現磁場的連續調節，由于外置磁場的非接觸式布置會使得空氣作為磁路的一部分造成磁場的大幅衰減。電磁式勵磁裝置可在外部電流作用下通過勵磁線圈產生連續可變磁場，具有響應快、控制方便等優勢，是常用的勵磁方式。Dyniewicz 等[16]在懸臂梁的自由端附加磁流變彈性體，將2 個電磁鐵黏接在彈性體的兩側，產生垂直于MRE 的電磁場。王文煜等[17]從結構、功能一體化的設計角度出發，在MRE 表面纏繞銅線，得到由線圈層、鋁合金層和MRE 組成的夾層梁結構。然而，這種在MRE 表面黏接線圈的方式會使夾層梁結構變得復雜并且會增大夾層梁的厚度與體積，從而影響夾層梁的結構特性。

為了解決上述問題，文中提出了一種內置四級線圈驅動的磁控MRE 夾層梁結構，對該結構進行減振機理的分析。使用COMSOL 仿真對設計的磁控MRE 夾層梁進行磁場仿真以及諧響應研究，驗證該結構的變剛度、變阻尼特性。最后，通過多個頻率激勵實驗驗證該結構的寬頻隔振性能。

1 磁控MRE 夾層梁結構設計與減振機理分析

1.1 四級線圈驅動的磁控MRE 夾層梁的結構設計

四級線圈驅動的磁控MRE 夾層梁由金屬層、MRE 層以及內置線圈組成，其結構示意如圖1 所示。內置四級線圈驅動的磁控MRE 夾層梁是在MRE 層中均勻布置線圈，通過選定每個線圈的繞向使得磁場在線圈的外部產生疊加。當夾層梁受到外部振動激勵時，通過控制輸入線圈電流的大小，調節施加在MRE 層上的磁場強度，實現對夾層梁的剛度和阻尼的實時調節，達到減振的目的。該結構不僅解決了外置磁場安裝空間大的局限性，還克服了永磁式勵磁裝置難以實現連續、精準控制的難點，并且內置的四級線圈結構不會明顯增加夾層梁的厚度與體積，改變夾層梁的結構特性，保證磁控MRE 夾層梁單元具有足夠大的磁場。

在內置四級線圈驅動的磁控MRE 夾層梁的制作中，選擇400 mm × 40 mm 的矩形純鐵作為金屬層，預留出5 mm 高的MRE 層空間。考慮到過多的線圈會影響夾層梁本身的結構特性并增加結構的復雜性，過少的線圈則會使得MRE 層中產生的磁場太低。因此，在長400 mm 的鐵板范圍內，以80 mm 間距均勻鋪設4 個外直徑為40 mm、內直徑為4 mm、線徑為0.48 mm 的銅線圈。選用外層裹有熱熔性聚氨酯材料的銅線作為線圈制作材料，使用3D 打印機制作外徑為Ф40 mm、內徑為Ф4 mm、總高度為5 mm、材料厚度為1 mm 的線圈骨架，每一個線圈纏繞130 匝。纏繞完成后，利用熱風槍將線圈定型后拆裝，并測試線圈電阻為1.78 Ω。最后，將制作完成的4 個線圈等間距擺放，如圖2 所示，通電后即可在整個夾層梁中得到相對均勻的磁場。