李凱權(quán)，代 俊，常 輝，黃 玨，石庚辰

(北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國家級重點實驗室，北京 100081)

0 引言

磁流變材料是一種“智能材料”，它一般是微米級或納米級的鐵磁顆粒(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進(jìn)行控制，磁場強(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)，在隨后對磁流變效應(yīng)和磁流變材料的研究與應(yīng)用過程中，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，還在材料控制、軍事等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大地潛力。近年來，隨著磁流變相關(guān)基礎(chǔ)研究的開展，人們對磁流變材料及磁流變效應(yīng)的了解更加全面，其獨特的性質(zhì)和優(yōu)勢吸引了諸多國內(nèi)外的科研人員對其進(jìn)行研究，磁流變材料的應(yīng)用也越來越廣泛，但與此同時也暴露出一些問題亟待解決。深化對磁流變材料的認(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)域的實際工程問題提供更具創(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)用所面臨的部分問題，結(jié)合問題提出了解決方案，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)，也是目前被重點關(guān)注和利用的特性。所謂磁流變效應(yīng)，具體作用過程如圖1所示。當(dāng)外部磁場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)變成了類固體狀態(tài)，整個過程耗時大概在毫秒量級。磁場強(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。上述變化過程是可逆的，當(dāng)外部磁場消失，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它磁化后的行為模式，即對磁流變效應(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]。除了這三個常用的模型以外，還有一些其他針對磁流變材料特性或者性質(zhì)的研究成果。Mark R Jolly等人[4]提出了一個新的描述磁流變材料行為模式的模型，這個模型是基于給定結(jié)構(gòu)內(nèi)粒子間的偶極子相互作用，考慮到了磁場的非線性行為，同時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算磁流變液屈服應(yīng)力的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)模型。法國的K.Danas等人[6]針對鐵磁顆粒磁流變彈性體進(jìn)行了實驗和建模，運用了試驗和理論結(jié)合的方法對特定的磁流變彈性體進(jìn)行了研究，對特定的樣品進(jìn)行了一系列試驗，諸如單軸應(yīng)力測試等，并且提出了橫向各向同性能量密度函數(shù)(Transversely Isotropic Energy Density Function)來再現(xiàn)磁化、磁致伸縮、簡單剪切曲線等情況，另外還提出了宏觀機(jī)制來解釋相應(yīng)的一些問題，結(jié)合試驗的情況表明所提出的模型不僅在中等磁場是準(zhǔn)確有效的，還能夠拓展到近飽和磁場。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的X.Z.zhang等人[7]對磁流變液體的擠壓強(qiáng)化效應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行了研究，背景主要是因為目前應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)磁流變材料達(dá)不到實際應(yīng)用所需要的強(qiáng)度，主要是通過實驗和理論分析的方法對擠壓強(qiáng)化效應(yīng)進(jìn)行分析，設(shè)計了一套實驗裝置，并且考慮到了改良的偶極子模型和摩擦效應(yīng)，提出了一個半經(jīng)驗的模型來解釋擠壓強(qiáng)化效應(yīng)。中科大的朱應(yīng)順等人[8]則針對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算模型，分別對鏈狀、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，鏈狀結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力更大，當(dāng)鐵磁顆粒濃度較大時，柱狀結(jié)構(gòu)則更好。此外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的阮曉輝[9]對磁流變液的力學(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)的磁性顆粒對磁性液體的流變性能和沉降性能的影響，研究了磁場、振蕩剪切、擠壓等外界因素對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)被越來越多地被應(yīng)用于解決實際工程問題，目前相對廣泛、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

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

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

鑒于人口老齡化的社會需求，研發(fā)和制造人性化的驅(qū)動器來幫助老年人很有必要，而人性化驅(qū)動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，結(jié)合實際需求，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。研究人員對所設(shè)計的樣品進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)扭矩、階躍響應(yīng)等測試，測試中使用了新鮮配置的混合均勻的磁流變液，測試結(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，證明了在這個離合器中新型的磁流變液和傳統(tǒng)的磁流變液相比沒有太大的區(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由勵磁線圈產(chǎn)生，意大利的R.Rizzo等人[11]創(chuàng)新性地設(shè)計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由永磁體產(chǎn)生，具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。新的設(shè)計是在其團(tuán)隊老的設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)而來的，這種離合器的特點在于，開關(guān)狀態(tài)是由氣動制動器進(jìn)行操作的，當(dāng)永磁體處于圖中的位置時，磁流變液被磁化，離合器處于接合狀態(tài)，當(dāng)永磁體軸向移動離開圖中的位置時，離合器則處于斷開狀態(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)測試，測試結(jié)果表明計算機(jī)數(shù)值模擬和實際測試結(jié)果高度吻合。新的設(shè)計改變了傳統(tǒng)的磁化方式，為磁流變在離合器中的應(yīng)用開拓了新思路。除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上改進(jìn)和優(yōu)化，加拿大的Peyman Yadmellat[12]針對磁流變離合器進(jìn)行了新的自適應(yīng)建模，提出了一個基于多項式近似的自適應(yīng)模型，包含了電流與磁場、磁場與輸出扭矩之間的建模。所提出的模型促進(jìn)了電流對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，驗證了新模型控制的精確性和高效性，新模型的提出對磁流變離合器未來設(shè)計優(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

國內(nèi)也有很多單位針對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)計研究，首先確定了其本構(gòu)關(guān)系，通過對比確定了雙平板式(又稱作圓盤式)作為離合器的設(shè)計形式；接著對雙平板式磁流變液離合器傳遞力矩構(gòu)成進(jìn)行分析，運用Bingham模型得到了傳遞扭矩的計算公式。然后對平板式離合器進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核，還進(jìn)行了仿真和再優(yōu)化。哈工大的鄒剛[14]則針對杯狀磁流變離合器進(jìn)行了性能測試和優(yōu)化設(shè)計，主要的工作內(nèi)容包括對磁流變液離合器的扭矩分析，搭建磁流變液離合器性能測試試驗臺并進(jìn)行了測試，還針對改裝的磁流變液離合器在實驗中暴露出的不足，設(shè)計一臺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]針對裝甲車發(fā)動機(jī)離合器傳統(tǒng)驅(qū)動方式無法實現(xiàn)散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速實時連續(xù)調(diào)整的問題，設(shè)計了一種專用的磁流變液風(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)計了專用磁路，還采用ANSYS軟件進(jìn)行了磁流變離合器的仿真，驗證了理論計算結(jié)果的正確性，并加工試驗樣機(jī)進(jìn)行了測試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)。以上的測試過程中，都采用了混合均勻無明顯沉降的磁流變材料，取得了良好的測試效果。

2.2 磁流變阻尼器

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

馬來西亞的Fitrian Imaduddin等人[16]對目前已有的旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的設(shè)計和建模進(jìn)行了總結(jié)。首先對磁流變材料和其工作模式進(jìn)行了簡要介紹，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計和磁路設(shè)計角度分別對鼓式、盤式等連續(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)計和磁路設(shè)計方面進(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，對磁流變阻尼器發(fā)展過程中的一些存在的問題進(jìn)行了介紹。作者對磁流變阻尼器進(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，研究優(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，在整個優(yōu)化過程中，有限元分析、電磁場分析和磁流變流體的計算流體動力學(xué)分析被有機(jī)的整合起來，針對具體的需求獲得了設(shè)計參數(shù)的最優(yōu)值，然后制造了原型樣機(jī)進(jìn)行了測試。在以往的設(shè)計和測試之中，關(guān)于磁流變材料在工作過程中的發(fā)熱問題很少有人討論。

南京航空航天大學(xué)的劉松[18]針對常見阻尼器的缺點，利用磁流變材料設(shè)計了如圖5所示新型半主動磁流變阻尼器。它采用了最為常見的擠壓型工作模式，研究過程中不僅進(jìn)行了相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和磁路設(shè)計，并結(jié)合仿真分析得出了特定的專用數(shù)學(xué)模型。接著制造了樣機(jī)并進(jìn)行了測試，測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)，驗證了設(shè)計產(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，并對其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析。試驗表明，所設(shè)計的磁流變阻尼器達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求的同時還克服了常見阻尼器的缺陷，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。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，在運用ANSYS仿真后對原始設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，樣機(jī)測試結(jié)果顯示設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的要求。磁流變材料的應(yīng)用，為工程問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力學(xué)模型更是對磁流變阻尼器的進(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)計了一種新型的盤式磁流變減速器，機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。設(shè)計的理論模型是Bingham塑性模型并進(jìn)行了特定的修正，設(shè)計過程中包含了磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力分析、盤式減速器的分析、設(shè)計的注意事項和減速器的組裝。然后搭建了專用的試驗平臺并對設(shè)計的減速器進(jìn)行了測試。在評估性能的過程中，引入了放大因子，讓評估的結(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)用于了這個領(lǐng)域。美國的Jonathan Blake等人[22]為虛擬現(xiàn)實中使用的觸覺手套設(shè)計了專用的減速器。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足設(shè)計要求。設(shè)計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。美國的Berk Gonenc等人[23]在通過觸覺反饋實現(xiàn)虛擬針插入的過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題和關(guān)閉狀態(tài)下的參與扭矩問題。相應(yīng)的測試結(jié)果表明磁流變減速器對虛擬現(xiàn)實的相關(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汽車的減速系統(tǒng)設(shè)計了一種帶有滑?？刂破鞯拇帕髯儨p速器，從結(jié)構(gòu)上來屬于旋轉(zhuǎn)盤式減速器，如圖8所示。在初步設(shè)計和仿真的基礎(chǔ)上，運用了模擬退火、傳熱分析、靜磁力分析等手段進(jìn)行了優(yōu)化，還設(shè)計了滑?？刂破鳌Ｗ罱K的仿真結(jié)果表明，設(shè)計的滑?？刂破骱痛帕髯儨p速器完美的實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，獲得最佳滑移控制且具有防抱死功能，是一個成功的應(yīng)用開發(fā)。

圖6 盤式磁流變減速器結(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，法國的Carlos Rossa等人[25]對磁流變減速器的設(shè)計細(xì)則進(jìn)行了總結(jié)梳理，提出了磁流變減速器的評價標(biāo)準(zhǔn)，還對磁流變材料對減速器的性能的影響進(jìn)行了探究。印度的Satyajit R.Patil等人[26]針對汽車設(shè)計了一款磁流變液減速器，特別值得關(guān)注的是他們在對磁流變減速器進(jìn)行了測試時增加了發(fā)熱測試，采用了計算機(jī)輔助分析和試驗相結(jié)合的手段探究工作過程中摩擦發(fā)熱對磁流變材料性能和磁流變減速器性能的影響，這一研究對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)常存在運動物體停止的過程，而這樣的過程往往會產(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動物體的停止過程的一種半主動式的減震器，可以針對運動物體的動能調(diào)整制動力的大小，研究人員對設(shè)計進(jìn)行了計算機(jī)仿真和理論模型建立，還進(jìn)行了試驗，同時闡述了對減震器的控制方案。

意大利的Antonio Lanzotti等人[28]針對汽車設(shè)計了一種半主動磁流變差速器，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)、多物理場仿真技術(shù)等技術(shù)，制造了樣機(jī)并進(jìn)行了測試，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)計了一種新型的多功能旋轉(zhuǎn)式磁流變液致動器(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)計這樣一種多功能的器件，主要是因為實際需要中可提供的空間十分有限，容不下多個器件，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題。研究人員對這種新器件的設(shè)計細(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)行了測試，達(dá)到了預(yù)期的效果。與上文中提到的離合器設(shè)計類似，在這個設(shè)計中也用到了永磁體替代勵磁線圈產(chǎn)生磁場。此外，香港中文大學(xué)的J Z Chen等人[30]針對殘疾人士和行動不便的人所使用的輔助膝蓋支撐設(shè)計了磁流變致動器，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——多功能集成化。

中國民航大學(xué)的盧銘濤[31]在參考前人設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機(jī)起落架減震器的實際使用情況，設(shè)計了一種新的飛機(jī)起落架磁流變減震器。其創(chuàng)新性地設(shè)計了一種環(huán)形間隙流與油針共同作用的磁流變減震器，對減震器的結(jié)構(gòu)、磁路、油針等進(jìn)行了設(shè)計后進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，最后進(jìn)行試驗對減震器的性能進(jìn)行檢驗，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、胡國良等人[32-33]運用磁流變材料研究和設(shè)計了磁流變閥，同樣的采用了ANSYS仿真與測試相結(jié)合的方法，為磁流變其他應(yīng)用的設(shè)計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]針對具體情況設(shè)計了一種工作間隙中置的磁流變閥，如圖11所示，并對其性能特性進(jìn)行了研究，創(chuàng)新了磁流變閥的設(shè)計形式。

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

除了單個應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，清華大學(xué)的馬良旭[35]則針對電動汽車的磁流變液制動系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。在對磁流變液進(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器的設(shè)計方法并設(shè)計了多種制動器，搭建試驗平臺對制動器進(jìn)行了測試，最后還針對電動汽車的磁流變液制動系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的控制算法。試驗結(jié)果表明，新的磁流變液制動系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)性能上有了大幅改進(jìn)。

此外，湖南大學(xué)國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。拋光試驗的結(jié)果表明，這項新型拋光技術(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。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)長期的發(fā)展，目前已經(jīng)有了一些相對成熟的應(yīng)用。

美國麻省理工學(xué)院運用磁流變材料開發(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，磁流變液充滿織物的空隙中。當(dāng)衣服上的傳感器檢測到?jīng)_擊波或者瞬態(tài)的沖擊時，衣服里面的電源被啟動產(chǎn)生磁場，使得磁流變液在毫秒級的時間內(nèi)成為堅硬的固體，從而達(dá)到抗沖擊的目的[37]。美國的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，對磁流變阻尼器的控制方式進(jìn)行了探索和改進(jìn)設(shè)計。

中北大學(xué)的黃繼[39]將磁流變材料應(yīng)用于自動武器的緩沖系統(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)化動力學(xué)模型；從器件響應(yīng)時間和磁流變液體響應(yīng)時間兩個方面對沖擊載荷下磁流變緩沖系統(tǒng)的響應(yīng)時間進(jìn)行了討論；提出一種狀態(tài)預(yù)測的新方法，并獲得高預(yù)測性能的支持向量回歸模型；利用TMS320LF2407對自動武器緩沖系統(tǒng)中應(yīng)用的磁流變緩沖系統(tǒng)的電流驅(qū)動器進(jìn)行了設(shè)計，最終通過模擬和驗證，證明所設(shè)計的自動武器緩沖系統(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)，主要的工作過程是：平時狀態(tài)下，磁流變液在永磁體產(chǎn)生的較強(qiáng)磁場作用下呈現(xiàn)類固態(tài)，擋住擊針上移，起到隔爆作用來保證平時的安全。在彈丸發(fā)射時，永磁體在后坐力的作用下剪斷剪切銷下落，磁流變液迅速恢復(fù)流動性，在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定大小時，磁流變液開始泄流。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)隊的陸靜、趙亞楠、鄭彩軍[41-43]在已有的研究基礎(chǔ)上，開發(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磁流變液在在永磁體作用下阻礙活塞的移動，從而限制了隔爆轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。在彈丸發(fā)射后，永磁體剪切銷剪斷下落，磁流變液恢復(fù)為流動性良好的牛頓流體。當(dāng)彈丸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定大小時，泄流孔打開，磁流變液便開始泄流。當(dāng)流體泄流完畢后，引信解除保險。他們不僅進(jìn)行了原理性的設(shè)計，還針對不同大小口徑的彈藥進(jìn)行了具體的設(shè)計和分析，還做了仿真和試驗，驗證了設(shè)計的可行性。這一研究成果是對磁流變材料在軍事領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用，可以說是對磁流變材料的應(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，利用勵磁線圈產(chǎn)生磁場來控制磁流變材料產(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實現(xiàn)對渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。在試驗過程中，采用了混合均勻的懸浮液，沒有評估連續(xù)控速過程中發(fā)熱的問題所帶來的影響，并未探究到發(fā)熱和長時期儲存的沉降問題，這項技術(shù)若要投入實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)用中的問題及解決途徑

前文對目前磁流變材料特性研究及應(yīng)用的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要的介紹，通過上面的簡介，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題：

1)理論模型問題

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

2)沉降問題

目前磁流變材料的應(yīng)用在開發(fā)測試過程中，均采用混合均勻的磁流變材料取得了良好結(jié)果，但在實際應(yīng)用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁流變材料被靜置過后就會產(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加入了抗沉降的成分，但沉降問題仍然比較嚴(yán)重。

3)工作溫度范圍問題

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摩擦發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高，同時工作環(huán)境溫度也會不同，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)材料溫度會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，在開發(fā)測試過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)用工作溫度范圍問題必須解決。

針對在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合目前的發(fā)展現(xiàn)狀，就解決實際問題推動磁流變材料應(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)確的刻畫磁流變材料在磁場中的行為，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，長時間靜置以后就會產(chǎn)生沉降，制約了磁流變材料的儲存和應(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)來改善抗沉降性能，可以重新設(shè)計它的構(gòu)成、存在形式等，努力從根本上克服沉降問題，增強(qiáng)實用性。

3)工作溫度范圍問題方面

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，降低材料對溫度的敏感性從而減小溫度變化對材料性能的影響，擴(kuò)大磁流變材料的工作溫度范圍。

4 結(jié)論

由于磁流變材料獨有的性質(zhì)和優(yōu)勢，經(jīng)過多年的發(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，越來越多的科研工作者開始參與到磁流變材料的研究和應(yīng)用中來，計算機(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。本文對磁流變材料的特性研究進(jìn)行了簡介，主要對磁流變材料應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，針對現(xiàn)狀概括了應(yīng)用中存在的問題，并結(jié)合問題提出了解決方案，可為相關(guān)科研工作者提供參考。把握發(fā)展方向，著力解決存在的問題，相信磁流變材料的發(fā)展應(yīng)用會越來越成熟廣泛，智能磁流變材料也將為人類社會做出更多貢獻(xiàn)。