复合场下磁流变液圆筒模型剪切应力特性研究

摘要

磁流变液是一种新型的智能材料，在无磁场的情况下表现为低粘度的牛顿液体特性，一旦加入磁场，便会在毫秒级时间内响应变为固体或者类固体状态，这种特性被称为磁流变效应。目前的众多磁流变液产品一般都是对磁流变液的力学特性的应用，因此磁流变液的力学性能研究也是磁流变液研究工作的一个重要方面。在磁流变液众多力学特性应用中，当属剪切应力特性应用最为广泛，因此磁流变液的流变特性研究也集中于此。磁流变液剪切应力特性输出一般受到磁场、温度场、重力场、剪切速率、剪切应力方向、导磁性颗粒的大小形状与分散情况、工作时间、装置结构与材料特性、工作面表面粗糙度与纹路等众多因素影响。其中磁场是磁流变液磁流变效应的必备因素，而磁流变液实际工作过程中会有大量的机械能转化为内能从而引起磁流变液的温升，或者温度场的不均匀分布。因此，磁场和温度场变化在磁流变液影响因素中最为突出，而磁流变液实际工作一般都处于在磁场、温度相互耦合的环境之中。
　　本文对磁流变液及影响其力学特性输出的主要因素作了简要介绍，并从磁场、温度场这两个影响因素角度，综述了磁流变液剪切应力特性理论研究进展和磁流变液流变特性检测技术的现状和发展趋势，分析和比较了现有流变特性理论和检测方法的优势以及不足之处，针对复合场下磁流变液的特点，并提出了本文的研究目的、研究方法、研究意义。
　　文章根据磁流变液试验装置设计和材料性能的检测需要，介绍了Bingham模型、Bingham双塑性模型、Herschel-Bulkley模型和Eyring本构模型来描述磁流变液流变学特性理论。经过分析和比较，选取了参数较少，物理意义较为明确的bingham模型作为复合场内磁流变液流变特性理论模型建立的基础。并从磁流变液的工作模式出发，介绍了管道流动式剪切模型、圆盘剪切模型、圆筒剪切模型，比较选择了圆筒剪切模型作为实验装置的力学模型基础。通过有限元分析法，对圆筒剪切模型中磁流变液微元进行了受力分析，得到了磁流变液微元的力学模型，进而分析得到了圆筒剪切模型中磁流变液的力学和运动学规律。最终总结得到了圆筒剪切模型中磁流变液剪切应力和剪切速率的测量方法，并有效得避免了预屈服区间对磁流变液检测的影响。
　　从复合场的角度出发，对磁流变液工作过程中磁场和温度场两个场复合作用对磁流变液剪切应力输出特性的影响规律进行了理论分析，以bingham模型、粘温特性、居里公式、磁流变液磁场强度与流变特性变化规律四个方面为基础进行理论推导，得到了复合场内磁流变液应力输出理论模型。经过理论分析发现温度场对磁流变液的影响的本质乃是改变了磁流变液中软磁性颗粒的导磁率和载液的粘度，进而改变了磁场强度，导致应力输出改变。
　　以圆筒剪切模型、磁场理论分析、温度场理论分析为基础设计并研制了一套复合场下磁流变液流变特性研究装置，并通过ansys仿真分析，对装置的内磁流变液的温度场及磁场分布规律进行了仿真模拟。仿真证明了实验装置能够很好的为磁流变液剪切应力特性检测提供均匀稳定的磁场和温度场，复合实验需求。
　　设计了磁场和剪切速率影响实验测量、磁场和温度场复合实验测量过程两个实验，测量了大量的实验数据。从实验的角度对磁流变液剪切工作过程中温度场、磁场复合影响规律进行了研究。数据分析发现，磁流变液剪切应力输出随着磁场、剪切速率上升而上升，随着温度场的上升而下降。相比较而言，磁场强度的上升对应力输出的影响要远大于剪切速率上升的影响。研究还发现，磁场强度越大的情况下，剪切应力随着温度场上升而下降的量越大。这与磁场越大时，温度上升对磁场影响越大的规律相一致。实验数据分析表明，将温度场的影响通过居里公式、粘温特性公式转化为磁场和粘度影响的理论与实际相吻合，证明了理论推导的正确性。
　　以磁场和温度场理论模型为基础，设计了温度场补偿实验。通过磁场的微量上升补偿温度场上升带来的磁流变液剪切应力下降影响。通过实验发现，磁流变液剪切应力下降量由原来的30％/100℃降低至3％/100℃，基本降到了可接受范围内，也进一步证明了磁场温度复合场对磁流变液影响理论的正确性。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 磁流变液简介

1．1．1 磁流变液及磁流变效应简介

1．1．2 主要参数介绍

1．2 课题来源及研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 磁流变液磁场影响研究现状

1．3．2 磁流变液温度场影响研究现状

1．4 磁流变液的四种模型介绍

1．4．1 Binham模型

1．4．2 herschel-bulkley模型

1．4．3 Bivisous模型

1．4．4 eyring模型

1．4．5 剪切应力模型总结

1．5 剪切应力特性检测方法介绍

1．5．1 管道流动式剪切模型

1．5．2 平板式剪切模型

1．5．3 圆盘式剪切模型

1．5．4 圆筒剪切模型

1．5．5 剪切工作模型总结

1．6 本文的主要工作

第2章 圆筒剪切模型理论分析

2．1 圆筒剪切模型简介

2．2 圆筒剪切模型力学分析

2．2．1 有限元分析假设

2．2．2 圆筒剪切模型力学有限元分析

2．3 圆筒剪切模型运动学分析

2．3．1 完全剪切屈服

2．3．2 预屈服区间影响

2．4 剪切应力测量方法分析

2．4．1 剪切屈服应力测量

2．4．2 剪切应力测量方法

2．5 剪切速率测量方法分析

2．5．1 预屈服区域影响

2．5．2 剪切速率测量方法

2．6 壁面效应及其影响

2．6．1 壁面效应的负面影响

2．6．2 壁面效应的利用

第3章 复合场分析

3．1 磁场影响分析

3．1．1 磁场影响

3．1．2 磁场路设计

3．2 温度场影响分析

3．2．1 载液粘温特性

3．2．2 软磁性颗粒的磁导率温度特性

3．2．3 剪切应力与磁场关系

第4章 实验装置设计

4．1 磁流变液检测装置结构设计与分析

4．1．1 结构设计

4．1．2 测量装置分析

4．1．3 实验原理

第5章 仿真分析

5．1 模型建立

5．2 划分网格

5．3 磁场仿真

5．3．1 添加参数和条件

5．3．2 仿真计算和结果

5．4 温度场仿真

5．4．1 添加参数与条件

5．4．2 仿真计算和结果

5．5 本章总结

第6章 实验测量及数据处理

6．1 实验预备

6．1．1 磁场强度与电源电压

6．1．2 实验数据记录

6．1．3 磁流变液添加

6．2 磁场和剪切速率影晌实验

6．2．1 实验过程

6．2．2 固有摩擦力测量与去除

6．3 磁场和温度场复合实验

6．3．1 实验过程

6．3．2 固有摩擦力测量与去除

6．3．3 实验注意事项

6．3．4 外磁场随温度场变化

6．3．5 对应数据筛选

6．3．6 数据处理方法

6．4 温度场反馈补偿实验

6．4．1 实验过程

6．4．2 固有摩擦力去除

第7章 实验结果及结论

7．1 磁场和剪切速率影响实验结果

7．2 磁场和温度场复合影响实验结果

7．2．1 磁场和温度场复合影响数据

7．2．2 磁场和温度场复合影响理论曲线

7．2．3 理论值与实验值比较

7．3 温度补偿实验结果

第8章 总结

参考文献

附录

读研期间科研成果

致谢

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