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摘 要

磁流变液是由在磁场中可极化的悬浮微粒、载体液和稳定剂三部分组成。磁流变液应用于阻尼器(制动器)时，利用的正是它的流变效应，即流变特性（当有磁场强度的改变时，流体状态也随之改变）。在无磁场状态下，磁流变液处在液体状态（牛顿流体），施加磁场后由粘性液体转化为类固态，粘性增加，同时产生剪切应力。它的用途在不同场景下有不同应用。用于风振、地震和环境鼓励震动下的减振控制中，它提供阻尼作用；用于传递力与力矩时它又作为控制系统的一部分。人们已经研究了它在汽车工程、建筑物或大桥减振以及生物学等领域的应用。

本文首先解释了磁流变液阻尼器的工作原理，在此基础上介绍了三种工作模式以及各自的实现领域。接着通过对比基于旋转式结构的磁流变阻尼器的两种设计形式——圆筒式和圆盘式，分析了它们各自的特点。然后简单介绍了Bingham模型，在Bingham模型之上建立剪切工作模式下，阻尼器输出力矩的数学模型，最后对复合转子式MRF进行磁场有限元分析。

关键词：磁流变液,磁流变阻尼器,复合转子式,磁场有限元

Abstract

Magnetorheological fluid is composed of suspended particles, carrier liquid and stabilizer which can be polarized in the magnetic field. Magnetorheological fluid is applied to the damper (brake), it is the use of its rheological effect, that is, its rheological properties can be changed with the external magnetic field changes. In the absence of magnetic field, the magnetorheological fluid in the liquid state (Newtonian fluid), the application of magnetic field by the viscous liquid into a solid state, with a certain shear resistance. Its main use is as a damping element and a control element. As a damping element, it is mainly used for vibration control under vibration, earthquake and environmental vibration.

This paper first explains the working principle of magnetorheological fluid damper, on the basis of which three working modes and their respective fields of realization are introduced. Then, by comparing the two design forms of the magnetorheological damper based on the rotary structure - cylinder and disc type, their respective characteristics are analyzed. Then, the Bingham model is briefly introduced, and the mathematical model of the output torque of the three disc dampers is established on the Bingham model, and the finite element analysis of the three - disc MRF is carried out. Finally, the design of three-piece MRF is analyzed by experiment.

The test results show that the design of the damper can achieve the required output torque.

KEY WORDS: magnetorheological,fluid,magnetorheological,damper,three,disc,magnetic field,finite element,method

目 录

第一章 概述

1.1磁流变液概述

1.2磁流变液和电流变液

1.3磁流变液阻尼器的应用

1.3.1 磁流变液阻尼器的功能

1.3.2 磁流变液阻尼器的应用领域

1.3.3 MRF研究领域基本现状

1.4本论文的主要讨论内容及框架结构

第二章 磁流变阻器分析

2.1 磁流变液流变效应

2.1.1 磁流变液链化机理的定性解释

2.2 三种基本工作模式

2.3 磁流变阻尼器的基本结构设计类型

2.3.2 直动式MRF

2.3.2 旋转式MRF

2.4 片式和筒式结构的对比分析

2.5 本章小结

第三章 磁流变液阻尼器的设计分析

3.1 磁流变液的Bingham模型

3.1.1 牛顿流体特性

3.1.2 磁流变液变化性质的定量描述

3.1.3 Binghum模型及其修正模型

3.2 MRF结构设计分析

3.2.1 MRF磁路设计准则

3.2.2 磁流变液阻尼器的几何约束

3.2.3 磁流变液的效率和品质因数

3.2.4 磁芯材料和磁流变液的选择及性能

第四章 复合转子式磁流变液阻尼器的具体设计

4.1 结构设计和力矩计算

4.1.1 设计期望

4.1.2 与圆筒式和片式的比较

4.1.3 复合转子式结构设计和力矩计算

4.1.3.1结构设计

4.1.3.2 力矩计算

4.2磁场仿真分析

4.2.1 建模

4.2.2 结果分析

4.2.3 电流和磁感应强度

4.3 本章总结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致 谢

参考文献

第一章 概述

1.1磁流变液概述

可磁化的铁磁颗粒在载体液中呈悬浮态，这种悬浮流体称为磁流变液。可磁化悬浮微粒呈球形，球茎1-10微米，一般用金属及铁氧化磁性材料制成；载体液需要具有一定的温度稳定性和阻燃性，选材时还需考虑到产生较少的污染，因此一般选择硅油、矿物油和合成油；磁流变液在重力作用下结块和沉降发生沉淀现象，由于这种粗分散体系的不利现象，才需要稳定剂减缓沉降和凝聚。其中当施加磁场时，具有铁磁性和顺磁性的磁化微粒发生链状排列，磁流变液的这种特性由此被称为流变效应。

1.2磁流变液和电流变液

早在20世纪中叶前，Jacob Rabinov首次发现了磁流变液效。磁流变效应指的是磁流变液在有磁场穿过时，能发生状态的改变，即在固、液两态间可逆的迅速发生变化。磁流变液的这种特性与W.Wislow在40年代左右研究的电流变液的特性相似，两者都具有流变效应。但在两者被作为阻尼和控制元件研究的过程中，基于电流变液的成果更多，如Osaka大学于1998年，先后开发的ERF（电流变液阻尼器）离合器和六自由度上肢康复系统Robotherapist.

但最近20年，磁流变液技术吸引来各界学者的广泛关注。作为阻尼元件，MRF(磁流变液阻尼器)被用于各种减振场合。下面由一个图来对比，磁流变液和电流变液各自性能的特色之处。

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