磁流變液的力學機理及動態(tài)響應特性研究.pdf

1、作為一種性能奇特卓越的智能流變材料,磁流變液以其響應時間快、可控性強、耗能極小、工作溫度范圍寬等特點使它在汽車工程、航空航天、機器人工程、液壓工程、體育健身器械、船舶工程、武器裝備等領域具有廣闊的應用前景。在過去的幾十年里,磁流變技術(shù)吸引了物理、化學等基礎學科和材料、機械和土木結(jié)構(gòu)等工程學科的大批研究力量,并取得了顯著進展,但在材料、機理、性能和應用等方面仍有一些關鍵問題:除了磁流變液本身的強度得不到提高外,磁流變效應的機理也得不到統(tǒng)一

2、；由于磁流變效應的影響因素比較復雜,單純從宏觀角度難以很好地描述磁流變液材料的本構(gòu)行為；對磁流變液的研究主要集中在剪切應力研究上,而對磁流變液的拉伸、擠壓及擠壓后剪切等性質(zhì)研究鮮有報道。而對磁流變液材料和磁流變力學機理的研究決定了磁流變液技術(shù)的應用和發(fā)展程度。
　　 本論文將圍繞磁流變的機理展開研究,對磁流變液的剪切、拉伸、擠壓及擠壓后剪切等力學性能及動態(tài)響應特性將進行了系統(tǒng)的研究。本論文主要工作和結(jié)論如下:
　　 (1

3、)介紹了磁流變液材料的組成和特性,從宏觀和微觀上進行了磁流變液的力學模型描述,歸納出影響剪切屈服應力的主要因素有外加磁場強度、磁性顆粒尺寸、顆粒體積百分數(shù)、磁流變液的磁化率和壁面效應。
　　 (2)利用磁性物理學的原理,運用能量方法,從磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),考慮了顆粒非線性磁化及磁場分布不均勻的因素,建立了磁流變液的微觀剪切應力模型,修正了傳統(tǒng)的磁流變液偶極子模型。該模型反應出磁流變液的力學性能不僅依賴于磁感應強度,而且與顆粒

4、間距、剪切應變、顆粒體積百分數(shù)、顆粒大小以及磁化率等因素有關。
　　 (3)研制了磁流變液力學性能測試的工作實驗測試系統(tǒng),利用磁路設計原理進行了磁流變液實驗測試裝置的磁路設計,并利用有限元仿真分析軟件ANSYS對磁流變液實驗裝置的磁場分布等問題進行了靜態(tài)磁場優(yōu)化仿真分析。
　　 (4)利用研制的磁流變液力學性能測試系統(tǒng)對外加磁場作用下的磁流變液進行剪切、拉伸、擠壓及擠壓后剪切力學特性進行了實驗研究和對比。通過實驗結(jié)果驗證

5、了磁場方向上力與剪切方向上力的位錯角度正弦關系,拉伸屈服應力約是相同磁感應強度下的剪切屈服應力的4倍；磁場的增強會使擠壓應力和擠壓模量增大,得到了磁流變液擠壓應力與擠壓模量各自隨擠壓應變變化的一些基本規(guī)律。對磁流變液擠壓后進行剪切,其剪切屈服應力可以獲得較大提高,如磁流變液在3.8MPa的擠壓應力后其剪切屈服應力約為未擠壓情況下的30倍,因此,利用磁流變液擠壓后剪切屈服應力可以獲得很大提高的特性,將削弱磁流變液抗剪強度不足的限制。