2010年4月第24卷第2期
装甲兵工程学院学报
Journ al ofA cade m y ofA r m ored Force Engi n eeri ng
Apr .2010
Vo.l 24No .2
文章编号:1672-1497(2010)02-0001-06
张进秋，张 建，孔亚男，高永强，贾进峰，王洪涛
(装甲兵工程学院技术保障工程系，北京100072)
摘 要：作为智能材料之一的磁流变液，其工程应用遍布建筑结构、海洋平台、桥梁及高速车辆等领域，尤其是在车辆先进悬挂系统领域的应用备受国内外研究者的关注。结合国内外新近研究进展及研究成果，对磁流变液组成成分、磁流变减振器结构型式、磁流变减振器阻尼力模型、车辆先进悬挂系
统振动控制以及基于磁流变阻尼振动控制的实车道路实验等内容进行综述。基于更全面地跟踪和了解磁流变液及其应用研究发展趋势的目的，归纳梳理磁流变液与工程应用所面临的亟待解决的问题、当前研究的热点问题以及最新研究进展，并对磁流变液及其工程应用研究发展趋势进行了展望。
关键词：磁流变液；磁流变减振器；实车道路实验中图分类号:TB383 文献标志码:A
Su mm arization ofM agnetorheol ogical Fl ui d and Its Application
Z HANG Ji n -q i u ,Z HANG Jian ,KONG Ya -nan ,GAO Yong -q i a ng ,JI A Jin -feng ,WANG H ong -tao
(D epart m en t of Technical Support Eng i neeri ng ,A cade m y of Ar m ored Force Eng i neeri ng ,Beiji ng 100072,Ch i n a)
Abst ract :As one of the inte lligentm ater i a ls ,the intensi v e atten ti o n is g i v en to t h e app lication o fM agne -to r heo l o g ica lF l u i d (MRF ),such as i n the area of buildi n g str ucture ,offshore platfor m ,bri d ge ,high
speed cars and so on.Especia lly the applicati o n i n the area of the advanced veh icle suspensi o n syste m is pa i d attention to by the researchers at ho m e and abroad .On the basis of the latest res
earch achieve m ents ,the research on the e le m ent o fm agnetor heo log ical fl u i d ,the m athe m atic m odel o fm agnetor heo log ical fl u i d da m per ,vehic le suspensi o n syste m v ibration contro l and veh icle road testi n g o fm agnetorheo log ical fl u i d da m per is m entioned .I n or der to follo w t h e latest research trends ,acco r d i n g to t h e re l a ted reference o f MRF m ateria,l t h e latest research achieve m ent and d irection o fMRF is summ arized ,and the f u ture re -search on m agnetorheolog ical fl u i d and its applicati o n is ana l y zed .K ey w ords :m agnetorheo l o g ica l fl u i d ;m agnetor heo log ical fluid da m per ;veh icle r oad test 收稿日期:2010-01-08基金项目：军队科研计划项目
作者简介：张进秋(1963-)，男，教授，博士。
20世纪80年代中期，由于电流变液剪切屈服强度太低的/瓶颈0以及电流变液工作电压较高等技术难题无法突破，磁流变液
[1]
(M agnetorheolog i c al
F l u i d ,MRF)的研究得到了重视与发展。在随后的十几年中，磁流变液及其应用研究取得了惊人的进
展，到20世纪90年代后期，已有商品化的磁流变液面世，不仅成功研制出了剪切屈服强度可达100kPa 且性能稳定的MRF [2]
，而且其应用扩展到了土木工程、机械工程、车辆工程以及装备加工制造等领域。
磁流变液及其应用已经成为国内外相关单位研究的
热点。到目前为止，国际电磁流变液会议(ERMR )已经成功举办了11届,2008年在德国举办的第11届国际电磁流变液会议(ERMR2008)标志着磁流变液的应用已经逐步走向工程化。
1 磁流变液的组成
磁流变液是一种在磁场作用下能够快速、可逆
地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动
装甲兵工程学院学报第24卷
性的B i n gha m弹塑性体的智能材料。典型的磁流变液由3部分组成：软磁性颗粒、载液和添加剂。
1.1软磁性颗粒
制备MRF的软磁性颗粒，一般有羰基铁粉、Fe3O4[3]、钴粉[4]、铁钴合金及镍锌合金等。除上述软磁性颗粒之外，最近专家采用以下新技术制备出复合软磁性颗粒。
第1类：用聚合物包覆铁粉。该方法可以减小软磁性颗粒的密度，增加颗粒的表面积，提高所制备磁流变液的沉降稳定性和再分散性[5]。Par k[6]等人用聚甲基丙烯酸甲酯(P MMA)包覆羰基铁粉制备出复合磁性颗粒，如图1所示。笔者的研究小组以羰基铁粉为原料，用聚乙二醇包覆羰基铁粉颗粒，如图2所示。
第2类：用软磁性颗粒包覆非金属材料。该方法能减少颗粒的密度，提高所制备MRF的沉降稳定性。Jun等人[7]以聚合物为核，以氧化铁颗粒为壳，制备出理想的球形颗粒，如图3所示。
第3类：用金属颗粒包覆软磁性颗粒。该方法可以增强颗粒的磁饱和强度，进而增强所制备磁流变液的屈服强度。John[8]用化学镀的方法在羰基铁粉表面包覆一层镍粉。
对比以上几种颗粒，羰基铁粉是制备MRF常用的软磁性颗粒，目前商品化的磁流变液大多采用普通羰基铁粉制备，但采用聚合物包覆的羰基铁粉是目前各国专家研究的热点。
1.2载液
载液是软磁性颗粒所能悬浮的连续媒介，是磁流变液的重要组成成分。如合成油、矿物油、水等液体[
9]都可以作为载液。BÊse[10]报道了用胶体作为载液，制备出一种磁流变弹性体。Fuchs等人[11]以聚合胶体为载液制备出了一种磁流变聚合胶体。1.3添加剂
添加剂包括分散剂和防沉降剂等，其作用主要是改善MRF的沉降稳定性、再分散性、零场黏度和剪切屈服强度。分散剂主要有：油酸及油酸盐、环烷酸盐、磺酸盐(或酯)、磷酸盐(或酯)、硬脂酸及其盐、单油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。防沉降剂主要有：高分子聚合物、亲水的硅树脂低聚物、有机金属硅共聚物、超细无定形硅胶以及有机黏土和含氢键的低聚物等。此外,Chin用纳米级的磁性颗粒[12](Co-C-Fe2O3,C r O2)作为添加剂，提高了MRF 的沉降稳定性。
磁流变液的制备是工程应用的基础，提高以再分散性和沉降稳定性在内的性能指标对工程应用将产生重要意义。当前应在以下几个制约工程应用的问题上开展深入研究：如何提高MRF的再分散性、如何利用表面改性技术提高MRF的沉降稳定性、如何制备出高性能的磁流变弹性体以及如何利用纳米级添加剂改善MRF的综合特性等。
2磁流变减振器
根据MRF在磁场作用下流变特性可控的特点, MRF阻尼器件可以根据外部振动环境实时调节阻尼，容易实现对结构进行减振的目的，因此MRF减振器是磁流变液工程应用的重要领域。特别是车用磁流变减振器，因为其阻尼力可调倍数高、易于实现计算机变阻尼实时控制、结构紧凑以及外部输入能量小
等特点，日益受到工程界的高度重视。
2.1磁流变减振器结构型式
2.1.1筒式磁流变减振器
2007年，马里兰大学[13]为火炮反后座装置设计出了两褶环形间隙节流阀MRF减振器。实验表明：该减振器在频率12H z、幅值12.7mm的正弦激励下，其阻尼力由2kN变为加电后的4kN，阻尼力可调倍数达到2。图4为该大学研制的MRF减振器原理图。
2
第2期张进秋，等:
磁流变液及其应用研究综述
图4 节流阀磁流变减振器
2004年，内华达大学[14]
为/悍马0军用越野车研制了磁流变减振器，该减振器结构尺寸紧凑，具有Fai-l safe 、非对称阻尼等特性。图5中，从左至右分别是/悍马0车用的第2代MRF 减振器、原车用减振器和第1代MRF
减振器。
图5 /悍马0车用磁流变减振器
笔者的研究小组为某型军用车辆设计了如图6所示的磁流变减振器
[15]
，该减振器采用自行研制并
获得国防发明专利的MRF 作为减振液，设计了博采众长的独特结构。图7为该减振器示功图，从内圈
到外圈的曲线分别表示励磁电流为0,0.25A,0.5A,0.75A 时所对应的耗能特性，该减振器阻尼力可调倍数达到了3
倍。
图6 筒式磁流变阻尼器实物图
2.1.2 叶片式磁流变减振器
笔者的研究小组为某型履带车辆设计了叶片式
磁流变减振器[16-17]
，如图8所示。该设计采用了双
向安全阀，使叶片的结构更为紧凑，最大限度为励磁
图7 筒式磁流变阻尼器示功图
单元预留了空间；且利用安全阀柱塞在压力作用下对节流阀开口大小的调整，实现了磁流变阻尼器正反行程阻尼力的非对称，使阻尼器具备了良好的耗
功能力。
图8 叶片式磁流变减振器阀结构原理图
2.2 磁流变减振器阻尼力模型
黄金跑车磁流变液场致流变效应是建立磁流变减振器阻尼力模型的基础，其流变效应用B i n gha m 模型描述:
S =
S y +G ÛC S >S y ,0
S [S y 。
(1)
式中:S 为剪切应力;S y 为剪切屈服强度;G 为磁流
变液的黏度;ÛC 为剪切率。
基于B i n gha m 模型,Pang
[18]
等人将MRF 减振
器等效为一种线性被动液力减振器，该模型能计算出振动一周所消耗的能量，但却不能准确地描述力与位移、力与速度之间的关系。非线性滞回双黏度模型[19-20]
能够很好地表征MRF 减振器的力与位移、力与速度之间的滞回特性，但其表达式过于复杂。
Spencer 和Y ang 等人[21-22]
采取Bouc -W en 模型来描述MRF 减振器阻尼力模型。该模型能很好地预测力与位移、力与速度之间的关系，但在速度较低的区域，力和速度之间的关系曲线不能很好地和实
3
装甲兵工程学院学报第24卷
验数据相吻合。
在磁流变减振器领域，筒式M RF减振器的发展
迅速，已有40多万辆装有筒式MRF减振器的车辆
在公路上行驶，叶片式MRF减振器在军用履带车辆
上应用虽然前景广阔，但实车应用很少。
在磁流变减振器阻尼力数学模型描述方面，尽
管对磁流变减振器力学性能的描述比较成熟，但应
用范围有各自的局限，其中,Bouc-W en模型在工程
实际中应用较多。对于实际工程应用，建立基于台
架试验数据的磁流变减振器阻尼力数学模型，更有
利于实际工程应用。
3车辆悬挂系统振动控制由于被动悬挂系统的刚度和阻尼不能随着外界
地面行驶环境的改变而变化，主动、半主动悬挂系统
成为车辆提高越野机动性或乘坐舒适性的重要途
径。目前，研究的重点集中在汽车的半主动悬架系
统[23]、装甲车辆的磁流变半主动悬挂系统及变阻尼
自适应悬挂系统[24]等。车辆变阻尼半主动悬挂系
统的核心技术除磁流变减振器外，另一项就是变阻
尼振动控制算法。
3.1悬挂系统变阻尼振动控制算法
1)/天棚0阻尼控制。在悬挂系统阻尼控制算
法中,Kar nopp等人[25]1974年提出的/天棚0阻尼控
制算法是最常用的算法之一，其阻尼系数为
c=c d max,c s>c d max,Ûz(Ûz-Ûq)\0,
c sÛzÛz-Ûq,c s<c
d max,Ûz(Ûz-Ûq)\0,
c d m i n,Ûz(Ûz-Ûq)<0,
(2)
式中:Ûz是悬置部分振动速度;Ûq是悬置部分振动速度;c d max是减振器提供的最大阻尼系数;c d m in是减振器提供的最小阻尼系数;c s是/天棚0等效阻尼系数。
2)/天棚0阻尼on-o ff控制。/天棚0阻尼越大，传递率就越小，因此,Karnopp等人又提出了/天棚0阻尼开关控制，阻尼系数表达式为
c=c d m ax,Ûz(Ûz-Ûq)\0,
c d m i n,Ûz(Ûz-Ûq)<0,
(3)
式中:Ûq是非悬置质量起伏速度;Ûz,c d max,c d m in含义同式(2)。/天棚0阻尼on-off控制的实质是对/天棚0阻尼连续控制的简化，其运算简便，因而被广泛使用，但应用中有高频振颤现象。
3)LQG(Linear Quadratic Gaussian)控制。亦称线性二次高斯方法[26]，因反馈控制律能用解析形式表示，计算相对简单，控制效果好，因此,LQG最优控制在车辆工程领域研究较多。LQG模型是一个典型的最优控制模型，能很好地解决数据采集系统受环境噪声干扰以及某些状态变量无法准确测量时的最优控制力设计问题。
除以上3种控制算法外，还有其他控制算法，如模糊控制、神经网络等智能控制算法。在工程实际中
，采用何种算法主要是根据磁流变减振器的动态性能、车辆的结构以及设计者追求的舒适性或越野机动性指标而进行取舍。目前，许多控制算法仍停留在数字仿真阶段，工程应用研究较少。在实车振动控制中,/天棚0阻尼连续控制和/天棚0阻尼on-o ff控制应用较多，但这两种算法控制效果不理想，应用前景有限。因此，国内外很多专家开始在实车上进行LQG等最优控制算法方面的研究，这些算法的难点在于需要建立较复杂的数学模型以及需通过传感器获得精确的振动状态参量。
3.2基于磁流变阻尼振动控制的实车道路试验
国外多家研究机构对基于磁流变减振器的不同车辆半主动悬挂系统进行了实车对比实验。
1)重型货车实车道路实验。1998年前后，弗吉尼亚大学对装有MRF减振器的Vo lvo VN系列重型货车进行了实车道路实验[27]，如图9所示。实验结果表明：采用/天棚0阻尼控制算法后，车前、后轮胎处加速度均方根值分别比原始被动减振器降低了50%和36%，车辆左右侧倾和前后俯仰的加速度均方根值降低了26%。
图9V olvo VN重型货车道路试验
2)小型乘用客车实车道路实验。弗吉尼亚大学在2000年对安装了MRF半主动悬挂系统的Fo r d Expediti o n小客车进行了实车道路实验[28]，如图10所示。实验结果表明：轮胎处加速度均方根值比原始被动减振器降低了20%，动行程均方根值降低了13%。
豫k3)军用越野车实车道路实验。美军坦克机动车辆工程中心(TARDEC)设计的半主动悬挂系统取
4
www.vsa第2期张进秋，等:
磁流变液及其应用研究综述
图10 Fo rd Exped ition 道路试验
得了较好的成绩
[29]
，促使基于MRF 减振器的半主
动悬挂系统成为美陆军提高军用车辆机动性的关注点,TARDEC 和Rod M illen 特殊车辆厂共同研制了基于MRF 半主动悬挂系统的/悍马0军用越野车，并于2003年1月在尤马试验场进行了实车道路实验
[30]
，如图11所示。实验结果表明：与原始车辆相
比，装有MRF 减振器的/悍马0车体加速度峰值减少了10%~30%，越野极限车速提高了35%
。
图11 /悍马0车
4)轮式装甲输送车实车道路实验。在采用基
于M RF 减振器半主动悬挂系统的/悍马0军用越野车试验成功后，美军又在2005年研制了基于/Stryk -er 0轮式装甲输送车的MRF 半主动悬挂系统，如图12所示。实车道路实验结果表明：与原车相比，装有MRF 减振器的/Stryker 0轮式装甲输送车越野极限车速提高了72%，车辆的侧倾率降低了30%[31]
,
大幅度提高了越野机动性及操控稳定性。
图12 Stryker 步兵输送车
由以上实验可以看出：基于磁流变阻尼的半主动悬挂系统能有效降低高速行驶时车体振动幅度，从而提供良好的乘坐舒适性、操纵稳定性和越野机动性。磁流变减振器可靠性高、功率小，且具有/Fai-l safe 0特性，是变阻尼悬挂系统重要发展方向
之一。国外，特别是美军，在MRF 半主动悬挂系统方面进行了深入的实车实验研究，实验结果促使各国专家对MRF 减振器在军用车辆、豪华轿车和重型货车悬挂系统上的应用更加关注。
4 研究工作展望
磁流变液及其器件在机械、交通、舰船、航天、车辆、建筑等军用和民用领域具有广泛的应用前景，展望未来，其研究工作主要有以下几个方面。
1)新型MRF 材料研究。磁流变液材料在近10年取得了重大进展，已有商业化的产品出现。由于高新技术的飞速发展，传统的MRF 材料不能完全满足工程领域的技术要求。例如：适用于高温、低温环境下的专用磁流变材料，在高频、高速振动环境下的特殊磁流变材料等。这就要求新型MRF 材料向多功能化、高性能化的方向发展。
2)新型MRF 减振器研究。新型减振器要求在多种工况条件下，保持较高的阻尼动态变化范围，且变阻
尼迟滞时间要尽可能短。为配合振动控制策略
所需的振动状态参数监测与获取，采用B I T 设计将加速度、阻尼力、温度等传感器嵌入磁流变减振器之
中，这样可以大大降低磁流变减振器工程应用的难度，对推动工程应用意义重大。
3)基于磁流变阻尼的半主动振动控制算法研究。前述控制算法在应用于磁流变阻尼半主动振动控制悬挂系统中取得了较好的效果，但是由于这些控制策略多数来源于经典控制理论，对磁流变阻尼振动控制存在/水土不服0的问题，因此如何根据磁流变阻尼特有的性质与特点对振动控制策略进行创新研究将成为很有发展前途的研究方向。参考文献:
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