磁流變體的研究狀況與作用畢業(yè)論文

1、畢 業(yè) 論 文磁流變體的研究狀況及應(yīng)用學(xué) 號(hào) 07835227 姓 名 徐俊 班 級(jí) 數(shù)控072 專(zhuān) 業(yè) 數(shù)控技術(shù) 系 部 機(jī)電工程系 指導(dǎo)老師 江凌云 完成時(shí)間2009年 6 月 30 日至2009年10 月 15 日目錄第一章磁流變體材質(zhì)和結(jié)構(gòu)3第二章磁流變體相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論研究42.1磁流變體的研究方式42.2相變和成核理論.4.2.3磁流變液剪切屈服應(yīng)力的數(shù)值分析52.4實(shí)驗(yàn)研究影響磁流變效應(yīng)的因素.122.5交變磁場(chǎng)下盤(pán)型磁流變流體阻尼器的動(dòng)力特性.182.6磁流變液擠壓增強(qiáng)效應(yīng)的研究.25第三章應(yīng)用前景.29參考文獻(xiàn).31磁流變體的研究狀況及應(yīng)用 摘要:簡(jiǎn)單回顧了磁流變體研究的歷史,

2、介紹了該種致流變體近年來(lái)的研究進(jìn)展和在航空工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況,并給出了我國(guó)進(jìn)行磁流變體理論研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一些思路。引言 致流變體是智能材料中的一個(gè)重要分支,深受?chē)?guó)內(nèi)外科學(xué)界重視,其構(gòu)成有磁流變體(MR)和電流變體(ER)。兩者都是懸濁液,在強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)電場(chǎng)下, 發(fā)生流變效應(yīng),使其粘度及屈服強(qiáng)度大大提高。ER和MR在本世紀(jì)40年代分別由美國(guó)人W.Winslow和J.Rabinow提出,此后各國(guó)把主要精力和財(cái)力投入在ER的研究中,只是在近年來(lái),提高ER強(qiáng)度和穩(wěn)定性的研究遇到困難,才把主要方向轉(zhuǎn)向MR研究。實(shí)質(zhì)上,ER和MR是相互聯(lián)系的。磁流變體英文名字為Magnetorheological F

3、lu- ids,簡(jiǎn)稱(chēng)MR,我國(guó)研究人員有時(shí)也稱(chēng)為磁流變液。MR一般由基液、彌散質(zhì)、活化劑三部分組成,基液一般選用植物油和礦物油,彌散質(zhì)選用磁性微粒,加入活化劑是為了增強(qiáng)流變效應(yīng)和解決MR沉淀問(wèn)題。在致流變體中,MR與ER功能相似,但MR的強(qiáng)度要比ER高12數(shù)量級(jí),從而可以縮小容載器的體積; MR適應(yīng)的工作溫度寬, ER的工作范圍為-25125,而MR的為-40150;不受雜質(zhì)的影響,因而化學(xué)穩(wěn)定性也強(qiáng)于ER。從安全用電方面考慮,ER采用了高電壓(15kV),而MR采用低電壓(1224V)。從而可以說(shuō)MR比ER更加實(shí)用,以MR代替ER將是致流變體的必然。關(guān)鍵詞: 磁流變液 剪切應(yīng)力 智能材料第一

4、章磁流變體材質(zhì)和結(jié)構(gòu)致流變體在外加場(chǎng)強(qiáng)作用下,其粘度顯著提高的原因是鏈狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,MR抗剪強(qiáng)度大于ER是由于MR中磁性鏈間粒子間吸引力高于ER中電極性粒子吸引力,因而在尋求高強(qiáng)度MR彌散質(zhì)時(shí),人們著眼于:(1)流變效應(yīng)是一種可逆變化,因此,它的磁滯回線(xiàn)必須狹窄,內(nèi)聚力較小,而磁導(dǎo)率很大,尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大。 (2)磁流變效應(yīng)應(yīng)具有較大的磁飽和強(qiáng)度,以便使得盡可能大的“磁流”通過(guò)磁流變體流體的橫磁截面,從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量。 (3)磁流變體在接通交流電的工作期間內(nèi),全部損耗都應(yīng)該是一個(gè)很小的量。 (4)磁流變體中的強(qiáng)磁性粒子的分布必須均勻,且分布率保持不變,這樣

5、才能保證其高度磁化及穩(wěn)定性。(5)為了防止磁流變體被磨損并改變性能,磁流變體必須具備極高的“擊穿磁場(chǎng)”。 (6)一般來(lái)說(shuō),磁流變體的穩(wěn)定性不應(yīng)隨溫度變化而改變,即在相當(dāng)寬的溫度范圍具有極高的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在MR流體中所用的磁性材料多是由鐵、鈷、鎳等多疇材料組成,其比重都比基液相的比重大,因而沉淀是一個(gè)大化劑的方法,類(lèi)似于乳化液把彌散質(zhì)和連續(xù)相聯(lián)結(jié)起來(lái)。而白俄羅斯的Kordonski則采用把極細(xì)的硬磁性材料和較大的軟磁性材料同連續(xù)相一起混合的方法來(lái)防止沉淀。針狀硬磁性材料的一端均勻地附在軟磁性材料粒子的表面,使之成為一個(gè)個(gè)“蒲公英”,從而改善了沉淀問(wèn)題。通過(guò)此種方法,他們得到的MR流體比僅用硬磁性材

6、料時(shí)的剪切強(qiáng)度增大4倍。另外一種解決方法是密度適配法,但此法受溫度影響較大而不穩(wěn)定。美國(guó)的Lord公司報(bào)道了6種合金磁流變液制備結(jié)果,所使用的固體顆粒為鐵-鈷,鐵-鎳,鐵-鈷-釩等合金的超細(xì)粉末,當(dāng)固體顆粒體積比為0.25,在550kA/m(7000Oe)的磁場(chǎng)強(qiáng)度下,這些材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力可達(dá)到2048kPa。EMR是電磁流變效應(yīng)的簡(jiǎn)稱(chēng),EMR效應(yīng)的研究也引起了人們的重視,日本米澤大學(xué)的K.Koya- ma比較細(xì)致地研究了EMR流變疊加效應(yīng)。他們用自己制造的平行板流變儀來(lái)研究EMR的疊加,在研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)平行施加時(shí),可以發(fā)現(xiàn)EMR的顯著疊加效應(yīng),平行疊加導(dǎo)致生成許多平行于場(chǎng)的鏈,而

7、垂直疊加則導(dǎo)致生成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)今的MR流體的主要弱點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng), 由于磁流變效應(yīng)的研究剛剛起步,因而對(duì)磁流變體響應(yīng)時(shí)間的報(bào)道不多,對(duì)磁流變體溫度效應(yīng)的報(bào)道也很少?；?或稱(chēng)彌散劑)的材質(zhì)選擇除從高絕緣性和絕磁方面考慮之外,還涉及到基液和彌散體的親和力大小。高親和力有利于減少沉淀作用,但有礙于粒子的遷徙和轉(zhuǎn)動(dòng),從而增長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間;而低親和力作用恰恰相反。目前基液的選材基本定型,常用的有煤油、變壓器油和高級(jí)硅油等?；罨瘎┑倪x擇是現(xiàn)在MR研究中一個(gè)熱點(diǎn),也是一難點(diǎn),它的好壞直接關(guān)系到MR性能的優(yōu)劣。目前,人們主要是從防止沉淀的角度考慮,即從與基液的親和力方面著手,國(guó)外資料對(duì)這方面還沒(méi)有報(bào)道, 國(guó)

8、內(nèi)的研究還處于初級(jí)階段。問(wèn)題。解決此問(wèn)題的措施有加入活第二章磁流理論研究科學(xué)技術(shù)的突破往往基于理論研究上的新成就,MR的流變效應(yīng)理論方面的研究包括模式、相變、MR性能和參量間關(guān)系等方面2.1磁流變體的研究方式在MR研究過(guò)程中,人們主要從理論推導(dǎo)、試驗(yàn)?zāi)M和有限元分析三個(gè)方面開(kāi)展工作。法國(guó)Grenoble和美國(guó)H.Corad研究小組的理論公式是建立在兩微粒或單鏈中點(diǎn)偶極子矩相互作用力模式上,并用很小的鋼球在空氣中和在介質(zhì)液中作相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。數(shù)學(xué)模擬和有限元分析的代表人物是美國(guó)的J. Ginder,L.Davic和南伊里諾大學(xué)的華人陶奈甲、J. Ginder等人用數(shù)學(xué)分析法給出了MR處于低場(chǎng)強(qiáng)時(shí)

9、其屈服應(yīng)力yH20(H0為外加場(chǎng)強(qiáng)),高場(chǎng)強(qiáng)時(shí),yH3/2,而在粒子飽和時(shí)(飽和磁矩為Ms),yM2s。其抗剪模量也有相應(yīng)關(guān)系,該試驗(yàn)小組給出羰基鐵作為MR彌散體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。很多研究人員是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上來(lái)建立理論體系的關(guān)系式,美國(guó)加州州立大學(xué)將MR作成膠片,利用光鏡研究液體變固體的演變過(guò)程,該試驗(yàn)給出演變過(guò)程的三個(gè)區(qū)域的分界外加場(chǎng)強(qiáng)Hc1,Hc2和Hc3, 并給出了外加場(chǎng)強(qiáng)和有關(guān)因素的關(guān)系,這種分區(qū)的提法和前面數(shù)學(xué)模擬法得出的結(jié)論一致。2.2相變和成核理論磁流變體在外加場(chǎng)強(qiáng)時(shí),粘度提高有幾種理論解釋,其中最主要的是相變和成核理論。該理論認(rèn)為在外加場(chǎng)強(qiáng)由零增高時(shí),彌散在基液中固體顆粒為隨機(jī)狀

10、態(tài),其遷徙和轉(zhuǎn)動(dòng)受熱波動(dòng)影響,被稱(chēng)作自由相。當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增加到一定程度后,顆粒磁化,受熱波動(dòng)和場(chǎng)強(qiáng)兩方面影響,某些顆?；ハ嗫繑n成有序排列, 稱(chēng)作有序相(或成核)。隨后隨著場(chǎng)強(qiáng)增加,這些有序相聯(lián)成長(zhǎng)鏈,且以長(zhǎng)鏈為核心,吸收短鏈,使鏈變粗, 構(gòu)成固態(tài)相。相變觀點(diǎn)能解釋MR的部分現(xiàn)象,但并沒(méi)有被大多數(shù)人所接受,因而還需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。與相變理論同時(shí)存在的是場(chǎng)致偶極矩理論,該理論認(rèn)為在外加磁場(chǎng)作用下,每一顆粒都極化成磁偶極子,各個(gè)偶極子互相吸引形成鏈(或纖維),MR流變效應(yīng)強(qiáng)度與偶極子鏈的力的大小有關(guān),靜磁相互作用是該理論的基礎(chǔ)。該理論能解釋單鏈強(qiáng)度函數(shù)關(guān)系式的諸影響因素,也能解釋鏈演變過(guò)程的外加場(chǎng)強(qiáng)的三個(gè)區(qū)域,

11、但該理論不能解釋鏈變粗過(guò)程以及強(qiáng)度和粒子體積百分比關(guān)系,也不能解釋MR強(qiáng)度和粒子大小(單疇和多疇)間的關(guān)系。2.3磁流變液剪切屈服應(yīng)力的數(shù)值分析1計(jì)算模型鐵磁性顆粒在磁場(chǎng)作用下被磁化，鐵磁性顆粒之間的磁作用力使顆粒形成鏈狀或柱狀聚集結(jié)構(gòu)，直接導(dǎo)致了其流變性能的改變2.磁流變液機(jī)理的傳統(tǒng)分析方法均以單鏈結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，認(rèn)為鏈與鏈間距離較大，忽略周?chē)湹挠绊?本文首先對(duì)具有平行等間距鏈狀結(jié)構(gòu)的磁流變液進(jìn)行建模，建模時(shí)計(jì)及了周?chē)湹挠绊?，并且周?chē)湐?shù)可以為任意值. 假設(shè)磁流變液中，外加磁場(chǎng)方向與鏈起始時(shí)的方向一致，由鐵磁性球形顆粒形成的單鏈?zhǔn)抢硐氲?，鏈?nèi)顆粒之間的間距相等，并且顆粒大小相等. 在磁場(chǎng)作用

12、下，鐵磁顆粒被磁化產(chǎn)生磁偶極矩.2個(gè)磁偶極矩分別為m，和m，相距為;的磁偶極子，它們間的磁相互作用能為。1/1 . 。(2 式中:產(chǎn)，為磁流變液中載液的相對(duì)磁導(dǎo)率;產(chǎn)。為真空中的磁導(dǎo)率. 假設(shè)磁流變液中鏈未形成聚集結(jié)構(gòu)，鏈與鏈之間平行等間隔排列.假設(shè)相鄰鏈與鏈之間的間隔為Do，鏈內(nèi)相鄰顆粒之間距離為d ,顆粒半徑大小為R，鏈的方向與磁場(chǎng)方向一致.任取一顆粒為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立三維直角坐標(biāo)系，如圖1所示.記空間任意位置處顆粒坐標(biāo)為(.!l. 假設(shè)磁流變液發(fā)生剪切變形后，鏈偏離原來(lái)位置角度為8.設(shè)顆粒磁偶極矩大小相等，記為，并且方向相同，與磁場(chǎng)方向一致，則式(2)變?yōu)樵O(shè)剪切在x方向，顆粒只發(fā)生x方向位

13、移，記為u，則剪應(yīng)變?yōu)橐淮穑?乙設(shè)剪切在x方向，顆粒只發(fā)生x方向位移，記為u，則剪應(yīng)變?yōu)橐淮?，有發(fā)生剪切變形后，顆粒新位置坐標(biāo)為(x+yz，y，z)有 乙將式(S)，(6)代人式(3)，得 位于坐標(biāo)原點(diǎn)處的顆粒與位于空間各處的顆粒之間都有磁相互作用能，對(duì)式(7)求和就可以得到位于坐標(biāo)原點(diǎn)處的顆粒受到的磁相互作用能總和為式中藝為對(duì)空間各處顆粒求和. 體積為' 3顆粒體積比濃度為甲的磁流變液中磁能密度為 上式對(duì)剪切應(yīng)變Y求導(dǎo)，即可得到由于磁場(chǎng)引起的附加剪切應(yīng)力.磁流變液中鐵磁顆?？倲?shù)為有限值，可交換求和與求導(dǎo)的順序，得_退一9m2* ay 32Z聲3名 記x=kD。，y = LD。，z一

14、nd。，間距排列，故k，l，n都為整數(shù).令入-由于鏈平行等子即相邪鍵間距離與鏈內(nèi)相鄰顆粒距離的比值，式(10)成為為所考慮空間范圍內(nèi)離坐標(biāo)原點(diǎn)最遠(yuǎn)處顆粒的坐標(biāo)值. 如果不考慮周?chē)湹挠绊?，按照單鏈模型偶極子理論，磁流變液的磁致剪切應(yīng)力為s7由上式即可得到按單鏈模型計(jì)算時(shí)的誤差，且比誤差與鏈內(nèi)相鄰顆粒距離無(wú)關(guān).2鏈狀結(jié)構(gòu)的剪切屈服應(yīng)力分析 在磁場(chǎng)作用下，鐵磁性顆粒均勻地形成一條條單鏈.假設(shè)鏈內(nèi)相鄰顆粒之間距離相等，鏈與鏈之間平行等間隔排列，從一條鏈中提取出僅包含一個(gè)磁性顆粒小球的單元體，如圖2所示. 單元體可認(rèn)為是長(zhǎng)方體，它的幾何尺寸:長(zhǎng)、寬都為D.,高度為d。，單元體無(wú)限擴(kuò)展后即為平行等間距鏈

15、狀模型令. ，則顆粒體積比濃度與單元體幾何尺寸之間的關(guān)系可以表示為，即。一般認(rèn)為，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力是其剪切應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)圖中的應(yīng)力最大值.限于計(jì)算量，并不失一般性，計(jì)算時(shí)所取k-max lmax nmx、值分別為300,300,1 000.對(duì)于小應(yīng)變情況，不妨取y-0. 000 1. y = 2時(shí)，按式(12) ,(15)作出的磁場(chǎng)一定時(shí)，磁場(chǎng)引起的無(wú)量綱化磁流變液剪切應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系如圖3所示. 圖3 鏈狀模型磁致應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 從圖中可見(jiàn)，外加磁場(chǎng)一定時(shí)，磁致剪切應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系圖中，磁致剪切應(yīng)力在達(dá)最大值前，與剪應(yīng)變近似呈線(xiàn)性關(guān)系;當(dāng)剪應(yīng)變y=0. 37時(shí)，磁流變液的磁致剪切應(yīng)力達(dá)到最大

16、值，可將其作為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力.其它y時(shí)的剪切應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系與圖3非常相似，可近似地將y=0. 37時(shí)的剪切應(yīng)力值作為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，即， 不同情況下的磁流變液剪切屈服應(yīng)力的比值大小，可近似用小應(yīng)變下的磁致剪切應(yīng)力比值來(lái)代替，即近似用式(15)來(lái)代替.計(jì)算得到的不同入時(shí)，修正模型與單鏈模型磁致剪切應(yīng)力比值r如圖4所示.圖4 2種模型的磁致剪切應(yīng)力比值 從圖中可見(jiàn)，用了修正后的磁流變液計(jì)算模型后，與單鏈計(jì)算模型相比較，考慮周?chē)溣绊懞笥?jì)算所得磁致剪切應(yīng)力變小，即單鏈模型高估了磁致剪切應(yīng)力大小.當(dāng)鏈內(nèi)顆粒間距d。一定時(shí)，y值較小，也就是鏈與鏈之間距離較小時(shí)，單鏈模型的誤差較大.而當(dāng)久

17、值較大，也就是鏈與鏈之間距離較大時(shí)，2種模型的結(jié)果趨于一致.假設(shè)a=2，即認(rèn)為鏈內(nèi)顆?；ハ嘟佑|，設(shè)顆粒體積比濃度為y=0.1,由式(17)知,y=2.288.圖4中知，此時(shí)，即按單鏈模型計(jì)算會(huì)有6.5%的誤差。當(dāng)顆粒體積比濃度更大時(shí)，y值將變小，此時(shí)若仍按傳統(tǒng)單鏈模型計(jì)算，誤差顯然不能忽略.比如，當(dāng)y=0.4時(shí)，對(duì)于鏈狀模型，由式(17) 知，y = 1. 144，按式(15),2種模型計(jì)算結(jié)果比值約為0. 839，即單鏈模型將有16. 1%寫(xiě)的誤差.常見(jiàn)的磁流變液中，鐵磁顆粒一般為碳基鐵粉顆粒，其飽和磁極化強(qiáng)度滿(mǎn)足:u0M=2. 1 T.取y=0.4,假設(shè)a二2，由式(12),(14),(1

18、5)得磁飽和時(shí)的磁流變液剪切屈服應(yīng)力值為 這是只考慮磁相互作用能時(shí)，OH基鐵粉顆粒體積分?jǐn)?shù)為0. 4的磁流變液所能達(dá)到的剪切屈服應(yīng)力的上限. 同樣，由式(12),(13),(15)可得到不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下磁流變液的剪切屈服應(yīng)力.3柱狀結(jié)構(gòu)的剪切屈服應(yīng)力分析、 磁流變液中，鏈與鏈之間會(huì)聚集成柱狀結(jié)構(gòu)，且對(duì)于球形顆粒，顆粒穩(wěn)定聚集結(jié)構(gòu)為體心立方(BCT)結(jié)構(gòu).本節(jié)構(gòu)建了BCT結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，計(jì)算磁流變液磁致剪切應(yīng)力，并對(duì)鏈狀和柱狀結(jié)構(gòu)的剪切屈服應(yīng)力大小進(jìn)行比較. 對(duì)于BCT結(jié)構(gòu)單元，其3個(gè)方向長(zhǎng)度比為，設(shè)長(zhǎng)度最短的邊所在方向?yàn)殒湹姆较?，且與外加磁場(chǎng)方向一致.則BCT單元在空間無(wú)限擴(kuò)展后，即為2系列的平行

19、等間距鏈，只不過(guò)2系列鏈在3個(gè)方向上互相錯(cuò)開(kāi)此方向的半個(gè)單位距離.可見(jiàn)柱狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，可看成是由2個(gè)系列的平行等間隔鏈所組成. 柱狀結(jié)構(gòu)的磁致剪切應(yīng)力分析，計(jì)算過(guò)程與鏈狀結(jié)構(gòu)相似，即式(11)對(duì)空間各處顆粒求和.只不過(guò)對(duì)鏈狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，是對(duì)一個(gè)系列鏈中顆粒求和，而對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)，要對(duì)各個(gè)柱2個(gè)系列鏈中顆粒求和.由于柱大小有限，位于柱內(nèi)不同位置的鏈中的顆粒受到的磁相互作用能不同，求磁流變液中的磁能密度時(shí)，對(duì)柱內(nèi)不同鏈中顆粒的磁相互作用能作了平均. 假設(shè)磁流變液中，柱與柱之間平行等間隔排列.則對(duì)柱狀結(jié)構(gòu)的建模計(jì)算，涉及到2個(gè)問(wèn)題:柱的粗細(xì)，柱與柱之間的間距.假設(shè)柱在鏈方向也就是沿磁場(chǎng)方向無(wú)限長(zhǎng)，但

20、在垂直于磁場(chǎng)方向長(zhǎng)度有限.不失一般性，作為近似，假設(shè)垂直于磁場(chǎng)方向，單個(gè)柱由N2個(gè)BCT單元組成，即單方向上含有N個(gè)BCT單元.N值變化時(shí)，柱的大小也隨之變化.每個(gè)柱內(nèi)鏈的總條數(shù)由下式給出 設(shè)磁流變液中鐵磁顆粒體積分?jǐn)?shù)為y，同樣設(shè)鏈內(nèi)相鄰顆粒距離d。=aR，則垂直于磁場(chǎng)方向單位截面內(nèi)鏈的總數(shù)為單位截面含柱個(gè)數(shù)為則相鄰柱與柱之間距離為 從而，可以定出周?chē)约爸車(chē)墟湹奈恢? 對(duì)于鏈內(nèi)顆粒間距較小的情況，不妨假設(shè)o = 2R.限于計(jì)算量，計(jì)算時(shí)只考慮了周?chē)?0層柱的影響·對(duì)于單個(gè)柱內(nèi)鏈數(shù)為上百條的情況，不妨假設(shè)N=7.給定顆粒體積比濃度為p=0.3，應(yīng)用式(15)，對(duì)柱內(nèi)顆粒和周?chē)?/p>

21、中顆粒求和計(jì)算得到磁場(chǎng)引起的無(wú)量綱化磁流變液剪切應(yīng)力、變關(guān)系圖(見(jiàn)圖5).圖5柱狀模型磁致應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 從圖中可見(jiàn)，外加磁場(chǎng)一定時(shí)，與鏈狀結(jié)構(gòu)相似，含柱狀結(jié)構(gòu)磁流變液的磁致剪切應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系圖中，磁致剪切應(yīng)力在達(dá)最大值前，與剪應(yīng)變近似呈線(xiàn)性關(guān)系，故小應(yīng)變下磁致剪切應(yīng)力的比值即可近似作為剪切屈服應(yīng)力比值;當(dāng)剪應(yīng)變y=0. 35時(shí)，含柱狀結(jié)構(gòu)磁流變液的磁致剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，可將其作為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力. 小應(yīng)變下，顆粒體積分?jǐn)?shù)為0. 3時(shí)，修正模型與單鏈模型的磁致剪切應(yīng)力比值r隨N變化關(guān)系見(jiàn)圖6 a. N=7時(shí)，計(jì)算得到的修正模型與單鏈模型的磁致剪切應(yīng)力比值r隨顆粒體積比濃度y變化關(guān)系如圖6

22、b所示.圖6 2種模型計(jì)算得到的磁致剪切應(yīng)力的比值 從圖6可見(jiàn)，對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)，單鏈模型仍然高估了磁流變液的磁致剪切應(yīng)力，也即高估了其剪切屈服應(yīng)力.柱內(nèi)鏈數(shù)越多，也就是柱越粗時(shí)，2種模型差別越大;顆粒體積比濃度越大，柱與柱之間距離較小時(shí)，2種模型的差別也較大.y一定時(shí)，磁致剪切應(yīng)力有隨著柱內(nèi)鏈數(shù)增加而下降的趨勢(shì).從圖6b知，y=0.1，N=7時(shí)，修正模型與單鏈模型磁致剪切應(yīng)力比值，即剪切屈服應(yīng)力比值為0.915，比y=0.1,鏈狀模型對(duì)應(yīng)的比值0.935略小.當(dāng)y=0.4時(shí)，對(duì)于鏈狀結(jié)構(gòu)，y=1.144，2種模型計(jì)算結(jié)果比值約為0.839;從圖6b知，對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)，修正模型與單鏈模型剪切屈服應(yīng)力

23、比值為0.894，故此時(shí)柱狀結(jié)構(gòu)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力比鏈狀結(jié)構(gòu)的要大. 可見(jiàn)，顆粒體積比濃度較小時(shí)，在提高磁流變液剪切屈服應(yīng)力方面，鏈狀結(jié)構(gòu)比柱狀結(jié)構(gòu)要好; 但顆粒體積比濃度較大時(shí)，柱狀結(jié)構(gòu)優(yōu)于鏈狀結(jié)構(gòu).而從式(12)可知，磁流變液磁致剪切應(yīng)力隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)線(xiàn)性增加.雖然按式(12)計(jì)算會(huì)有誤差，但誤差不太大，不能抵消顆粒體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)磁致剪切應(yīng)力增加的趨勢(shì).所以在應(yīng)用磁流變液時(shí)，為了得到較大的剪切應(yīng)力及剪切屈服應(yīng)力，人們總是傾向于選擇較大的顆粒體積比濃度，并且此時(shí)柱狀結(jié)構(gòu)為較優(yōu)結(jié)構(gòu)，這與人們的一般認(rèn)識(shí)也是一致的.4結(jié)論 1)傳統(tǒng)的單鏈模型高估了磁流變液的剪切屈服應(yīng)力.顆粒體積比分?jǐn)?shù)為0.

24、 4時(shí)，對(duì)于鏈狀結(jié)構(gòu)，單鏈模型誤差為16. 1%，而對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)，用單鏈模型計(jì)算時(shí)，其誤差為10.6%. 2)若僅考慮磁相互作用能，在提高磁流變液的剪切屈服應(yīng)力方面，顆粒體積比濃度較小時(shí)，鏈狀結(jié)構(gòu)比柱狀結(jié)構(gòu)要好;而當(dāng)顆粒體積比濃度較大時(shí)，柱狀結(jié)構(gòu)優(yōu)于鏈狀結(jié)構(gòu)。2.4實(shí)驗(yàn)研究影響磁流變效應(yīng)的因素1.實(shí)驗(yàn)方法磁流變液由懸浮相、表面活性劑或固態(tài)膠體穩(wěn)定劑、懸浮介質(zhì)組成.懸浮相采用系列撥基鐵粉和鐵合金粉，粒子大小為0. 5一20 um，體積分?jǐn)?shù)為15%-30%.添加劑及預(yù)處理劑分別采用磺酸鹽、油酸、偶聯(lián)劑、烷基胺磷酸脂、澳化烷基甲基胺、烷氧基硫代磷酸鹽、Tween80,OP一10,聚乙二醇、Si02:

25、及其它非離子型添加劑等，添加體積濃度為0. 5%一6%.懸浮介質(zhì)分別采用硅油和烴類(lèi)油，采用合成方法、球磨的配球量法、基液置換法等方法配制磁流變液. 筆者采用自制的磁流變液的磁流變效應(yīng)測(cè)試裝置.該裝置采用上、下高度平行的兩碟片，保證了磁場(chǎng)在磁流變液測(cè)試中的均勻性，同時(shí)為了克服磁流變液在邊界處發(fā)生滑移，使得傳遞到壁面的剪切應(yīng)力小于流體中的真實(shí)應(yīng)力，該裝置使用了高磁導(dǎo)率的材料特制的兩碟片解決剪力傳遞的間題.在室溫下，分別對(duì)0.1一0. 6 T磁場(chǎng)和剪應(yīng)變率r= 50 -400不同條件下的磁流變效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量.2結(jié)果與討論2.1磁場(chǎng)弧度 圖1是磁流變液在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)變率變化的曲線(xiàn)，從圖時(shí)

26、，剪應(yīng)變率為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力并不為零，表明中可以看出，當(dāng)加人外部磁場(chǎng)要使磁流變液發(fā)生流動(dòng)，其剪切應(yīng)力必須大于某一值，即要達(dá)到磁流變液的屈服極限，同時(shí)圖中表明了隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，同一剪應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力也隨之增加，此外，在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，磁流變液的剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)率變化不很明顯.圖1剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)變率變化的曲線(xiàn) 由于懸浮于基液中的固體磁性粒子在磁場(chǎng)作用下的極化，使得在基液中作無(wú)序狀態(tài)分布的粒子有序化，形成粒子鏈、粒子束，最后形成某種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得磁流變液的貓度增加，液體變稠，流動(dòng)性降低，液體要恢復(fù)流動(dòng)，應(yīng)力必須達(dá)到屈服極限，才能打破這種結(jié)構(gòu).隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，這種粒子極化后的穩(wěn)定

27、結(jié)構(gòu)更加牢固和結(jié)實(shí)，恢復(fù)流動(dòng)所需的力也相應(yīng)增大，因而屈服應(yīng)力增大.在外加磁場(chǎng)作用下，在磁流變液中的固體粒子極化形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是磁流變液變稠、固化以及產(chǎn)生屈服應(yīng)力現(xiàn)象的主要原因，也是磁流變效應(yīng)的主要因素. 一圖2是在剪應(yīng)變率為105/s，一時(shí)，3種不同組分的磁流變液的剪切應(yīng)力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的曲線(xiàn).從圖中可以看出，3#試樣屈服應(yīng)力對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度響應(yīng)特性?xún)?yōu)于1# ,2#試樣，3#試樣的智能化性能較好;曲線(xiàn)呈明顯的“S”形，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于3 000 Gs時(shí)，曲線(xiàn)的斜率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而變小，剪切應(yīng)力值最終趨于某一穩(wěn)定值.實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定值后，磁流變液中的磁性介質(zhì)微粒出現(xiàn)了磁飽

28、和，從而維系微結(jié)構(gòu)的磁力將不再增加，表現(xiàn)出剪切應(yīng)力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而趨于飽和. 圖3是在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的粘度隨剪應(yīng)變率的變化的曲線(xiàn).圖中表明，粘度值不僅受磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，而且受到剪應(yīng)變率的影響.隨著剪應(yīng)變率的增加，粘度減小，材料表現(xiàn)出剪切稀化效應(yīng).同時(shí)，在相同剪應(yīng)變率下，粘度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大，但當(dāng)剪應(yīng)率達(dá)到某一值時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加粘度無(wú)明顯變化. 在外加磁場(chǎng)作用下，在低應(yīng)變率時(shí)(r<400)，磁流變液中微粒極化沿磁場(chǎng)方向成鏈或束，隨剪應(yīng)變率圖a在剪應(yīng)變率為105/s。時(shí)剪切應(yīng)力 隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的曲線(xiàn)圖3粘度隨剪應(yīng)變率變化的曲線(xiàn)沒(méi)有影響.r增大時(shí)，粒子鏈或束沿流動(dòng)方向拉伸、

29、松開(kāi)，沿流動(dòng)方向重新排列，從而降低了流動(dòng)阻力，翁度明顯下降. 隨著剪應(yīng)變率虧繼續(xù)增加，特別是在高應(yīng)變率時(shí)(r>400)，粒子重新排列達(dá)到一種新的穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，流動(dòng)阻力幾乎沒(méi)有變化，勃度趨于恒定.此時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化對(duì)勃度幾乎沒(méi)有影響.2. 2介質(zhì)微粒的磁化率 圖4是磁化率不同的兩種介質(zhì)微粒組成的磁流變液，在3 000 Gs磁感應(yīng)強(qiáng)度下，剪切應(yīng)力隨應(yīng)變率變化的曲線(xiàn).圖中表明，在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪應(yīng)變率下，微粒的磁化強(qiáng)度越高，磁流變液的磁流變效應(yīng)越強(qiáng). 磁流變效應(yīng)是由于在磁場(chǎng)作用下，固體粒子和基液中產(chǎn)生了強(qiáng)烈的極化效應(yīng)，特別是發(fā)生在固體粒子內(nèi)部和基液接觸表面處的極化，這種極化有極復(fù)雜的內(nèi)

30、容，除了與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)外，還與磁流變體中固體粒子在外加磁場(chǎng)作用下的磁化性能，亦即粒子的磁導(dǎo)率和磁化率有關(guān). 從微觀角度來(lái)看，單一的置于真空的磁性固體粒子，在磁場(chǎng)作用下形成偶極子，其偶極矩為: 式中r為固體粒子的直徑，X為固體粒子的磁化率，Ho圈4 2種不同磷化率的較子剪切應(yīng)力隨剪切應(yīng)變率變化的曲線(xiàn)為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度; 磁場(chǎng)中的磁性微粒，單位體積的的磁性粒子產(chǎn)生的磁感應(yīng)偶極矩的大小，即磁化強(qiáng)度為: ，。其中u0為固體粒子的真空磁導(dǎo)率，uP為固體粒子的磁導(dǎo)率，H為固體粒子局部磁場(chǎng)強(qiáng)度，A為磁場(chǎng)強(qiáng)度修正系數(shù).因此，磁化能力越強(qiáng)的固體粒子組成的磁流變液，在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，其磁流變效應(yīng)越明顯，強(qiáng)度越高.

31、2. 3微粒的大小 圖5是磁性微粒大小不同的磁流變液，在3 000 Gs磁感應(yīng)強(qiáng)度下，剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)變率變化的曲線(xiàn).從圖中可以看出，隨著微粒直徑的增加，相同磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大.粒子半徑r越大，兩粒子之間的場(chǎng)致磁力就越大，粒子所成鏈的強(qiáng)度越大，磁流變效應(yīng)越強(qiáng);此外，粒子尺寸越大，所要求產(chǎn)生明顯磁流變效應(yīng)的磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越低，即越容易產(chǎn)生明顯的磁流變效應(yīng).然而，粒子尺寸過(guò)大，布朗運(yùn)動(dòng)所起的作用減小，粒子在基液中沉淀的趨勢(shì)增大，容易導(dǎo)致磁流變體出現(xiàn)相分離，影響磁流變體的工作性能，反過(guò)來(lái)又會(huì)影響流體的磁流變性能，當(dāng)然，粒子尺寸過(guò)小，則布朗運(yùn)動(dòng)影響大，粒子不易穩(wěn)定成鏈，磁流變效應(yīng)的強(qiáng)

32、度減弱.因此，粒子尺寸既不能過(guò)大，也不能過(guò)小，應(yīng)該根據(jù)具體的磁流變液選取最優(yōu)值.2. 4微粒的體積百分率 圖6是微粒百分率不同的磁流變液，在3 000 Gs圖5在3kGs下剪切應(yīng)力隨徽粒大小 變化的曲線(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度下，剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)變率變化的曲線(xiàn).從圖中可以看出，隨著介質(zhì)微粒體積百分率的增大，相同磁場(chǎng)強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大.體積百分?jǐn)?shù)越大，形成的磁鏈也多，同時(shí)體系的相對(duì)磁導(dǎo)率和磁化率就越大，其磁流變效應(yīng)就越強(qiáng).當(dāng)體積百分率過(guò)高時(shí)，會(huì)有一個(gè)結(jié)構(gòu)上的突變，即在零場(chǎng)時(shí)，出現(xiàn)固化狀態(tài).如果作用一個(gè)外加磁場(chǎng)，一般不會(huì)出現(xiàn)固體粒子重新成鏈和成網(wǎng)的現(xiàn)象，只是可以強(qiáng)化已有的結(jié)構(gòu)，因此磁流變效應(yīng)

33、不是很明顯.大量的實(shí)驗(yàn)表明，體積百分率的最佳范圍大致在is%一30%之間.圖6在不同磁盛應(yīng)強(qiáng)度下剪切應(yīng)力隨介質(zhì) 體積百分比變化的曲線(xiàn)2.5添加劑 同一種基液中加人體積百分?jǐn)?shù)相同的固體微粒，再加人3種不同的添加劑制成3種磁流變液，圖7給出在3 000 Gs時(shí)的3種磁流變液的剪切應(yīng)力隨剪應(yīng)變率變化的曲線(xiàn).研究表明，加人不同的添加劑，磁流變液的流變性能將會(huì)發(fā)生很大改變，因此可以利用加人不同的添加劑達(dá)到改變磁流變液性能，增強(qiáng)磁流變效應(yīng).添加劑是一種表面活性劑，其主要作用是促進(jìn)粒子分離，增加磁流變液的懸浮性.不同的添加劑，在粒子表面形成的不同的表層，在外加磁場(chǎng)作用下，粒子表面的極化也會(huì)不同，因而磁流變效

34、應(yīng)不同。3結(jié)論 采用實(shí)驗(yàn)方法研究了影響磁流變效應(yīng)5種主要因素，得到磁流變效應(yīng)取決于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度、介質(zhì)微粒的磁化率、直徑大小以及體積百分比濃度、添加劑以及配制工藝等主要因素.當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁流變液的應(yīng)力響應(yīng)隨之增加;當(dāng)介質(zhì)微粒體積百分比增大時(shí)應(yīng)力響應(yīng)也隨之增大;當(dāng)磁介質(zhì)的直徑增加應(yīng)力響應(yīng)也隨之增加.這些皆表明，磁流變效應(yīng)隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加、介質(zhì)微粒的磁化率、體積百分比以及直徑的增加而增強(qiáng)，然而添加劑對(duì)磁流變效應(yīng)的影響是不可忽略的因素.2.5交變磁場(chǎng)下盤(pán)型磁流變流體阻尼器的動(dòng)力特性1實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介 基于剪切原理形成的盤(pán)型磁流變流體阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.它由一個(gè)固定在軸頸上的可動(dòng)盤(pán)、周向線(xiàn)

35、圈,2個(gè)磁極和基座等組成.可動(dòng)盤(pán)、2個(gè)磁極和基座為導(dǎo)磁材料，其他為非導(dǎo)磁材料.在可動(dòng)盤(pán)與磁極之間形成2個(gè)軸向工作間隙，在磁極內(nèi)徑與軸頸之間形成徑向工作間隙.在軸頸與基座兩端采用了柔性周向密封.磁流變流體充在2個(gè)軸向工作間隙以及徑向間隙中.為了減小在徑向間隙中產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)，選擇了較大的徑向間隙. 4個(gè)柔性桿構(gòu)成了定向彈簧，限制了軸頸和可動(dòng)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).雖然可動(dòng)范圍內(nèi)可以進(jìn)行渦動(dòng).當(dāng)可動(dòng)盤(pán)隨軸頸發(fā)生渦動(dòng)時(shí)，盤(pán)不能旋轉(zhuǎn)，但在較大的將對(duì)軸向間隙中的磁流變流體產(chǎn)生剪切作用，從而產(chǎn)生一個(gè)流體阻力.通過(guò)線(xiàn)圈電壓(或電流)來(lái)改變軸向間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁流變流體的表觀勃度，從而達(dá)到改變阻尼器動(dòng)力特性的

36、目的.試驗(yàn)中阻尼器的基本參數(shù):線(xiàn)圈匝數(shù)為1 000，線(xiàn)徑為0. 5 m m，電阻為43. 6 歐，阻尼器的軸向間隙為1. 5 mm，阻尼器的徑向間隙為4.5 mm磁極的內(nèi)外徑分別為80 mm和124 mm. 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子為圖2所示的單盤(pán)柔性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的一端支承在剛性較大的滾動(dòng)軸承上，另一在帶定向彈簧的盤(pán)型磁流變流體阻尼器上. 端支承轉(zhuǎn)子由個(gè)d20 mm X 900 mm的光軸、一個(gè)重為3. 5 kg的均質(zhì)圓盤(pán)、柔性連軸節(jié)和調(diào)速電機(jī)等組成.盤(pán)位于左右軸承中間，左、右軸承間的跨度為607 mm.兩端軸承均為剛性時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速為2 800 r/min;轉(zhuǎn)子的一端為剛性支承，另一端支承在定心

37、彈簧上的前二階柔支臨界轉(zhuǎn)速分別為2 110, 3 135 r/min，軸與電機(jī)之間采用了柔性連軸節(jié)，以減小電機(jī)的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響.電機(jī)是一個(gè)帶有速度反饋控制的無(wú)刷直流電機(jī)，最高運(yùn)行速度為6 000 r/min.用非接觸式電渦流傳感器測(cè)量盤(pán)和軸頸位置處水平和垂直方向上的振動(dòng). 磁流變流體是由平均直徑為5 um的磁性鐵粉粒子、基油和少量的穩(wěn)定劑按照一定的比例組成驗(yàn)中采用的磁流變流體中m(磁性鐵粉粒子): m(基油)=1:1, 基油在常溫下的運(yùn)動(dòng)私度為12X10m/s 試驗(yàn)中采用的直流電源為電流輸出型直流電源.交流電源由一個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)電壓放大器組成，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率的正

38、弦電壓信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)整電壓放大器來(lái)得到所需的電壓. 流電壓用電壓的峰一峰值來(lái)表示. 實(shí)驗(yàn)前對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動(dòng)平衡，然后附加一定的不平衡質(zhì)量得到所需的不平衡量，所有試驗(yàn)是在同一個(gè)不平衡量下完成的.轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)曲線(xiàn)是按照下列方式得到的，在轉(zhuǎn)子以9(r " min)/s的勻加速度緩慢運(yùn)行的過(guò)程中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，并對(duì)每個(gè)0.2s采樣時(shí)間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子多周的振幅進(jìn)行平均，以振幅的平均值作為轉(zhuǎn)速只有微小變化(約2 r/min)的轉(zhuǎn)速區(qū)間上的振幅，得到不同轉(zhuǎn)速下振幅變化的曲線(xiàn)，如果轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌道是重復(fù)的，那么轉(zhuǎn)子的平均振幅隨轉(zhuǎn)速?zèng)]有跳躍，不平衡響應(yīng)曲線(xiàn)是光滑的;如果轉(zhuǎn)子

39、的運(yùn)動(dòng)軌道時(shí)大時(shí)小出現(xiàn)晃動(dòng)，那么在相鄰轉(zhuǎn)速點(diǎn)轉(zhuǎn)子的平均振幅就相差很大，轉(zhuǎn)子的平均振幅隨轉(zhuǎn)速就出現(xiàn)突變，不平衡響應(yīng)曲線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)許多毛刺，毛刺的大小就反映了軌道的變化程度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析直流激勵(lì)條件下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性首先在直流激勵(lì)條件下測(cè)量了不同穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡以及轉(zhuǎn)子在慢加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的不平衡響應(yīng)曲線(xiàn).n = 3 3Q0 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子軸心運(yùn)動(dòng)軌跡隨線(xiàn)圈電壓變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.圖中的箭頭表示電壓按0,2.5,5,10及20 V的次序增大的方向，結(jié)果表明了在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的第二階柔支臨界轉(zhuǎn)速附近，盤(pán)及軸頸的振動(dòng)隨電壓的增大迅速減小. 圖4為不同電壓條件下轉(zhuǎn)子在慢加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盤(pán)的振

40、幅A和軸頸的振幅A;隨轉(zhuǎn)速變化的不平衡響應(yīng)曲線(xiàn).各種電壓下不平衡響應(yīng)曲線(xiàn)比較光滑，轉(zhuǎn)子的振幅隨轉(zhuǎn)速逐漸變化，表明轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)是重復(fù)的.在無(wú)激勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)子基本上處于彈性支承狀態(tài)，在系統(tǒng)的前二階柔支臨界轉(zhuǎn)速附近轉(zhuǎn)子的振動(dòng)都較大，出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的峰.隨著電壓的增大，軸頸的振動(dòng)在所有轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)減小，但盤(pán)的振動(dòng)在系統(tǒng)的圖3轉(zhuǎn)速3 300 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡隨直流電壓 的變化圖4轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)隨直流電壓的變化前二階柔支臨界轉(zhuǎn)速區(qū)明顯減小，在系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速附近稍有增大.在電壓增大的過(guò)程中，存在著電壓的一個(gè)最佳取值范圍，電壓在此范圍內(nèi)，盤(pán)及軸頸的振動(dòng)都較小，轉(zhuǎn)子能夠以較小的振動(dòng)，平穩(wěn)地通過(guò)系統(tǒng)

41、的前二階柔支臨界轉(zhuǎn)速區(qū).當(dāng)電壓超出最佳取值范圍后，軸頸的振動(dòng)繼續(xù)減小，盤(pán)的振動(dòng)在系統(tǒng)的前二階柔支臨界轉(zhuǎn)速區(qū)雖然沒(méi)有明顯的改變，但在接近系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的振動(dòng)迅速增大，出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象，由響應(yīng)曲線(xiàn)上最大振幅確定出的峰值臨界轉(zhuǎn)速逐漸趨向系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速.可見(jiàn)盤(pán)型磁流變流體阻尼器的動(dòng)力特性在直流激勵(lì)條件下是可控的，通過(guò)改變盤(pán)型磁流變流體阻尼器線(xiàn)圈上的直流電壓完全可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的目的.2. 2交流激勵(lì)條件下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性 n =1900 r/min, up-p = 60 V時(shí)轉(zhuǎn)子的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡xy及時(shí)間歷程t-y隨交流電壓頻率變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)交流

42、電壓的頻率較低或交流電壓很高時(shí)，交變磁場(chǎng)的頻率與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)頻率之間產(chǎn)生相互影響，使轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)時(shí)大時(shí)小.由于作用在阻尼器上的剪切力與磁場(chǎng)的方向無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的調(diào)制頻率為交流磁場(chǎng)頻率一半.對(duì)于幅值一定的交流電壓，當(dāng)交流電壓的頻率逐漸增大時(shí)，磁流變流體的性能逐漸減弱;當(dāng)交流電壓的頻率超過(guò)某一臨界值之后，磁流變流體阻尼器的特性與無(wú)磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)系統(tǒng)的特性圖5電壓頻率對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)軌跡及時(shí)間歷程的影響完全相同，阻尼器的性能不再具有可控性.隨著交流電壓的增大，能夠產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的交流磁場(chǎng)的頻率也隨之增大. 圖6為不同頻率下交流電壓對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)曲線(xiàn)的影響.結(jié)果表明，當(dāng)交流電壓的頻率

43、較低時(shí)，如圖6(a)所示，較低的交流電壓不能明顯地改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性，轉(zhuǎn)子在系統(tǒng)的前兩階柔支臨界轉(zhuǎn)速附近的振動(dòng)都較大，出現(xiàn)明顯的兩個(gè)峰. 隨著交流電壓的增大，軸頸和盤(pán)處的振動(dòng)在系統(tǒng)的前兩階柔支臨界轉(zhuǎn)速區(qū)明顯減小，但在系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速附近的振動(dòng)增大.同樣存在著一個(gè)能夠使轉(zhuǎn)子以較小的振動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階柔支臨界轉(zhuǎn)速的最佳交流電壓.如果交流電壓超過(guò)了這個(gè)最佳的交流電壓，軸頸和盤(pán)的振動(dòng)在系統(tǒng)的前兩階柔支臨界轉(zhuǎn)速區(qū)雖然沒(méi)有明顯的改變，但在接近系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的振動(dòng)迅速增大，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，峰值臨界轉(zhuǎn)速同樣趨向于系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速.當(dāng)交流電壓的頻率較高時(shí)，如圖6(b>所示，即便較

44、高的交流電壓也根本不能改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)與無(wú)磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)基本相同，只有在交流電壓很高的情況下，才會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)產(chǎn)生微小的影響.可見(jiàn)，只有在交流激勵(lì)頻率較低和交流磁場(chǎng)強(qiáng)度較高的情況下盤(pán)型磁流變流體阻尼器的動(dòng)力特才是可控的. 圖7為不同電壓下交流電壓的頻率對(duì)盤(pán)處的不平衡響應(yīng)曲線(xiàn)的影響.可見(jiàn)，在一定的交流電壓條件下，只有較低頻率的交流電壓對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性有一定影響.隨著交流電壓頻率的增大，交流磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響迅速減弱.當(dāng)激勵(lì)頻率大于某一頻率后，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)與無(wú)磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)完全相同，盤(pán)型磁流變流體阻尼順的動(dòng)力特性不可控。 雖然盤(pán)型磁流變流體阻尼器的動(dòng)力特性在低頻交

45、流激勵(lì)和高的交流磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下是可控的，但是由于調(diào)制的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)時(shí)大時(shí)小，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的范圍隨轉(zhuǎn)子振幅的增大而增大.當(dāng)交流電壓很大時(shí)一，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的范圍一般在系統(tǒng)的一階剛支臨界轉(zhuǎn)速附近最大.由于轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)時(shí)大時(shí)小，轉(zhuǎn)子也要發(fā)生周期性的變形，對(duì)轉(zhuǎn)子的疲勞壽命將會(huì)產(chǎn)生不利的影響，因此從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)講，采用直流激勵(lì)的磁流變流體阻尼器的特性?xún)?yōu)于采用交變激勵(lì)時(shí)的動(dòng)力特性. 實(shí)際上，上述的各種現(xiàn)象容易從磁流變流體的工作機(jī)理上加以解釋.磁流變流體的表觀戮度之所以在磁場(chǎng)下發(fā)生變化是由于在磁場(chǎng)作用下磁流變流圖6不同電壓頻率時(shí)電壓對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的影響體中的磁性粒子發(fā)生了定向排列形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)所致.磁

46、流變流體中磁性粒子發(fā)生定向排列形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間除了與磁性流體的特性有關(guān)之外，還與外磁場(chǎng)的大小有關(guān).磁流變流體中磁性粒子越多或激勵(lì)磁越強(qiáng)，形成鏈或圖7不同電壓時(shí)電壓的頻率對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的影響柱狀結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間就越短.當(dāng)磁場(chǎng)變化的周期大于鏈或柱狀結(jié)構(gòu)形成所需的時(shí)間，磁流變流體流變特性的可控性就會(huì)表現(xiàn)出來(lái).當(dāng)磁場(chǎng)的變化周期小于鏈或柱狀結(jié)構(gòu)形成所需的時(shí)間，磁流變流體中就不能形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)，磁流變流體的流變特性的可控性就不會(huì)出現(xiàn)，因此高頻磁場(chǎng)激勵(lì)條件下磁流變流體阻尼器的特性與無(wú)磁場(chǎng)激勵(lì)時(shí)的特性相同，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)也不會(huì)發(fā)生變化.3結(jié)語(yǔ) 本文在盤(pán)型磁流變流體阻尼器一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

47、上詳細(xì)地研究了交流磁場(chǎng)作用下盤(pán)型磁流變流體阻尼器一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激勵(lì)磁場(chǎng)頻率對(duì)系統(tǒng)的特性產(chǎn)生十分顯著的影響.對(duì)于一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度存在著一個(gè)能夠影響系統(tǒng)特性的最大磁場(chǎng)頻率，對(duì)于一定的磁場(chǎng)頻率存在著一個(gè)能夠影響系統(tǒng)特性的最低磁場(chǎng)強(qiáng)度.雖然在激勵(lì)磁場(chǎng)的頻率低于最大磁場(chǎng)頻率或激勵(lì)磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于最低磁場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，交變磁場(chǎng)同樣會(huì)影響盤(pán)型磁流變流體阻尼器的動(dòng)力特性，但由于出現(xiàn)的調(diào)制使轉(zhuǎn)子的振動(dòng)時(shí)大時(shí)小，引起轉(zhuǎn)子額外的周期變形，因此從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)講，采用直流磁場(chǎng)控制的磁流變流體阻尼的特性?xún)?yōu)于采用交變磁場(chǎng)控制時(shí)的動(dòng)力特性.2.6磁流變液擠壓增強(qiáng)效應(yīng)的研究1實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用的磁流變液，采用3-

48、5 m平均粒徑的羰基鐵粉和硅油制成。顆粒的體積百分比為46%。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。使用銅制的容器來(lái)盛裝磁流變液，這樣可以讓大部分的磁力線(xiàn)從磁流變液中穿過(guò)。磁場(chǎng)強(qiáng)度可以通過(guò)改變電磁鐵中的電流來(lái)調(diào)節(jié)。磁感應(yīng)強(qiáng)度用特斯拉計(jì)來(lái)測(cè)量，探筆插入樣品中，由于顆粒的退磁作用，測(cè)量的結(jié)果會(huì)偏低。但是這不會(huì)影響相對(duì)值的比較。在磁流變液樣品池內(nèi)兩側(cè)測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎相同，這說(shuō)明內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度是均一的。設(shè)備基礎(chǔ)是軟鐵制成，所有部件都安裝在它上面。容器一端用軟鐵磁芯和電磁鐵封閉，另一端是軟鐵芯的螺栓封閉，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺栓，可以沿磁場(chǎng)方向擠壓磁流變液。壓力的大小可以使用壓力傳感器測(cè)量?；A(chǔ)、螺栓、磁流變液和電磁鐵可以構(gòu)成一

49、個(gè)完整的磁回路。一個(gè)金屬片（鋁制或鐵制的）插入磁流變液來(lái)測(cè)量擠壓增強(qiáng)效應(yīng)，拉出金屬片的拉力用力傳感器測(cè)量。也就是說(shuō)，拉動(dòng)金屬片10，直到結(jié)構(gòu)破壞，就可以得到磁流變液的臨界剪切屈服強(qiáng)度。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用上述設(shè)備，測(cè)量了磁流變液在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下（0350mT）和不同的擠壓應(yīng)力下（010MPa）的剪切屈服強(qiáng)度。圖2給出了用鋁片測(cè)量的磁流變液在不同場(chǎng)強(qiáng)和擠壓力下的屈服強(qiáng)度。測(cè)量結(jié)果用鉆石點(diǎn)標(biāo)出，數(shù)據(jù)被擬合成三維曲面。為了更清楚地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提取部分?jǐn)?shù)據(jù)建立了如圖3的二維曲線(xiàn)。當(dāng)沒(méi)有擠壓力時(shí)，剪切屈服應(yīng)力幾乎隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度線(xiàn)性增加。在較低的擠壓應(yīng)力2.0MPa和4.0MPa下，曲線(xiàn)也顯出同樣的趨勢(shì)。當(dāng)

50、擠壓應(yīng)力增加后，剪切屈服強(qiáng)度和場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系曲線(xiàn)也隨之提高。例如，當(dāng)擠壓應(yīng)力達(dá)到6.3MPa時(shí)，剪切屈服強(qiáng)度在低場(chǎng)強(qiáng)下穩(wěn)定地增加，在某一確定的場(chǎng)強(qiáng)下，突然快速增加。而擠壓應(yīng)力再增加時(shí)，如9.9MPa，剪切屈服強(qiáng)度的增加變得穩(wěn)定下來(lái)。這種現(xiàn)象是由擠壓增強(qiáng)效應(yīng)引起的。低擠壓應(yīng)力情況下（包括不擠壓），顆粒未飽和時(shí)，抗剪力隨磁場(chǎng)線(xiàn)性增長(zhǎng)。當(dāng)擠壓載荷增加后，顆粒間距變得很小，偶極子的相互作用增強(qiáng)了，而建立的鏈狀結(jié)構(gòu)更難被破壞，所以表現(xiàn)為抗剪能力增強(qiáng)。擠壓力越大，擠壓增強(qiáng)效應(yīng)越明顯。如圖所示，在高擠壓載荷下，飽和現(xiàn)象更容易被觀察到。而圖4和圖5是用鐵片取代鋁片測(cè)得的結(jié)果。除了相同的增加趨勢(shì)以外，使用鐵片的剪切強(qiáng)

51、度大于使用鋁片的結(jié)果。圖6給出了鐵片和鋁片的比較結(jié)果。它們都是在275mT磁感應(yīng)強(qiáng)度下測(cè)得的結(jié)果。在相同的壓力下，鐵片比鋁片測(cè)得的結(jié)果要大很多。這種差別是壁面效應(yīng)造成的。這同時(shí)造成了不同的破壞模式。使用鋁片時(shí)，結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在鋁片和磁流變液的交界處。而使用鐵片時(shí)破壞發(fā)生在磁流變液內(nèi)部。這種現(xiàn)象表明鐵片和磁流變液的結(jié)合強(qiáng)度大于磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度。而鋁片和磁流變液的結(jié)合強(qiáng)度低于磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度。根據(jù)壁面效應(yīng)的分析6 ，顆粒和壁面的作用可以近似看成偶極矩m和它在壁面內(nèi)的鏡像mim的作用，而mim可表示為：式中w是壁面材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，而e是懸浮液的相對(duì)磁導(dǎo)率。使用鐵片時(shí)，其相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，磁偶極子和它感應(yīng)出的鏡像間會(huì)有很大的吸引力。而鋁片的相對(duì)磁導(dǎo)率和油液很接近，根據(jù)公式(1)，顆粒和壁面間無(wú)附加吸引力。甚至當(dāng)鐵和鋁片的表面粗糙度相同時(shí)，顆粒被擠壓后會(huì)嵌入前者的粗糙表面，而會(huì)滾過(guò)后者表面。因此，如果磁流變液被用于柔性?shī)A持時(shí)，鐵磁性材料將會(huì)更容易被固定住。用鋁片測(cè)得的應(yīng)力僅僅是鋁片和磁流變液間的結(jié)合力。唐新魯使用鋁片測(cè)得的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)800kP