磁流變液的力學(xué)機(jī)理及動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(yīng)時(shí)間快、可控性強(qiáng)、耗能極小、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)使它在汽車工程、航空航天、機(jī)器人工程、液壓工程、體育健身器械、船舶工程、武器裝備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在過去的幾十年里,磁流變技術(shù)吸引了物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科和材料、機(jī)械和土木結(jié)構(gòu)等工程學(xué)科的大批研究力量,并取得了顯著進(jìn)展,但在材料、機(jī)理、性能和應(yīng)用等方面仍有一些關(guān)鍵問題:除了磁流變液本身的強(qiáng)度得不到提高外,磁流變效應(yīng)的機(jī)理也得不到統(tǒng)一

2、；由于磁流變效應(yīng)的影響因素比較復(fù)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(duì)磁流變液的研究主要集中在剪切應(yīng)力研究上,而對(duì)磁流變液的拉伸、擠壓及擠壓后剪切等性質(zhì)研究鮮有報(bào)道。而對(duì)磁流變液材料和磁流變力學(xué)機(jī)理的研究決定了磁流變液技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展程度。
　　 本論文將圍繞磁流變的機(jī)理展開研究,對(duì)磁流變液的剪切、拉伸、擠壓及擠壓后剪切等力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性將進(jìn)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(jìn)行了磁流變液的力學(xué)模型描述,歸納出影響剪切屈服應(yīng)力的主要因素有外加磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁性顆粒尺寸、顆粒體積百分?jǐn)?shù)、磁流變液的磁化率和壁面效應(yīng)。
　　 (2)利用磁性物理學(xué)的原理,運(yùn)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(chǎng)分布不均勻的因素,建立了磁流變液的微觀剪切應(yīng)力模型,修正了傳統(tǒng)的磁流變液偶極子模型。該模型反應(yīng)出磁流變液的力學(xué)性能不僅依賴于磁感應(yīng)強(qiáng)度,而且與顆粒

4、間距、剪切應(yīng)變、顆粒體積百分?jǐn)?shù)、顆粒大小以及磁化率等因素有關(guān)。
　　 (3)研制了磁流變液力學(xué)性能測(cè)試的工作實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),利用磁路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了磁流變液實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的磁路設(shè)計(jì),并利用有限元仿真分析軟件ANSYS對(duì)磁流變液實(shí)驗(yàn)裝置的磁場(chǎng)分布等問題進(jìn)行了靜態(tài)磁場(chǎng)優(yōu)化仿真分析。
　　 (4)利用研制的磁流變液力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)外加磁場(chǎng)作用下的磁流變液進(jìn)行剪切、拉伸、擠壓及擠壓后剪切力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

5、了磁場(chǎng)方向上力與剪切方向上力的位錯(cuò)角度正弦關(guān)系,拉伸屈服應(yīng)力約是相同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的剪切屈服應(yīng)力的4倍；磁場(chǎng)的增強(qiáng)會(huì)使擠壓應(yīng)力和擠壓模量增大,得到了磁流變液擠壓應(yīng)力與擠壓模量各自隨擠壓應(yīng)變變化的一些基本規(guī)律。對(duì)磁流變液擠壓后進(jìn)行剪切,其剪切屈服應(yīng)力可以獲得較大提高,如磁流變液在3.8MPa的擠壓應(yīng)力后其剪切屈服應(yīng)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(yīng)力可以獲得很大提高的特性,將削弱磁流變液抗剪強(qiáng)度不足的限制。