基于力-磁耦合的磁敏弹性体冲击吸能机理多尺度建模及场响应特性研究

在承受具有不确定幅值和频率的冲击载荷时，为保证缓冲器件均能有效地隔离、吸收或储存有害能量输入，要求其具有自适应调节系统刚度和阻尼特性的能力。磁敏弹性体可以根据磁场变化改变材料力学特性，是自适应吸能器的理想材料。本课题从研究结构化磁敏弹性体代表性体积单元入手，用微尺度有限元法分析磁场变化时链内及链间颗粒相互作用及力-磁耦合引起的瞬态磁力、基体形变和弹性体能量吸收机理；通过跨尺度建模，分析磁场大小，外载变化频率、幅值和持续时间，磁场与外载和颗粒链相互夹角，以及颗粒尺寸和基体材料等参数对吸能量增幅和吸能效率的影响规律；从微观特征与宏观特性之间的映射关系得到各向异性宏观等效材料模型，并利用自制的材料样本测试数据确定待定系数；还将探索添加不同形状、特性的纳米成分对增强场响应幅度的效果。研究结果对揭示磁敏弹性体耗能机理、指导材料制备和开展自适应吸能器件设计提供理论依据，避免开发的盲目性。

磁敏弹性体（MSE）是由橡胶基体和可磁化的离散体混合而成的一种智能材料，其刚度和阻尼可随外部磁场强弱变化。课题先后完成了仪器开发、材料制备、静（动）态力学性能测试、力-磁耦合算法开发、数值模拟、理论分析以及车用新产品创新设计等工作。经过4年的努力，取得了一系列成果：（1）为了实验验证课题提出的冲击载荷下的力-磁耦合仿真算法的准确性，首先制备出利用透明橡胶填充毫米级颗粒的MSE样件，并开发了包含磁场发生装置的落锤冲击实验台架，用实验结果观察失效模式和部位，对比响应曲线，修正仿真模型；该算法可用于MSE磁致伸缩和静力学仿真，改进后也可用于冲击响应预测。（2）利用代表性体积单元（RVE），仿真研究了平均磁致伸缩应变与磁场强度、链内相邻颗粒距离、颗粒体积百分含量以及颗粒直径等四个主要影响参数之间的关系，并给出了经验公式；分析了颗粒排布差异（均布/链状）和磁场强度对MSE动态冲击响应的影响规律，讨论了磁场和冲击载荷共同作用下的试件变形及应力场分布情况；（3）为满足工业界的器件开发和材料性能测试要求，制备出多种形状的、符合不同实验标准的内部填充微米级颗粒的MSE试件，发明了测试MSE磁致力学性能的通用试验装置，可用于磁致伸缩、拉/压和剪切工况的实验测试。（4）提出了考虑颗粒空间分布和相互作用的改进Mori-Tanaka 模型，用于计算 MRE 零场模量。用能量密度法推导了均布、链状、层状、岛状和柱状等五种典型微观结构的等效拉伸/压缩及剪切模量计算公式，并与仿真结果进行了比较。（5）推导了工业级MSE的粘-弹-塑材料本构方程，理论分析了单自由度缓冲系统的冲击动力学响应。应用Hertzian势函数，建立了MSE内一维颗粒链的动力学方程，求解了冲击波在材料内部的传播规律。（6）发明了多种基于MRE材料的车用减震耗能器件，分别用于发动机悬置、空气弹簧、保险杠系统等。研究成果为该智能材料的工业应用奠定了理论基础。