剪切模式下磁流变液层间传力特性研究

摘要

磁流变器件(Magnetorheological Device，MRD)传动的工作原理是以磁流变液(Magnetorheological fluid，MRF)为工作介质，其动力和运动形式是靠两个传动界面之间的磁流变液来传递，通过调节电磁线圈的电流大小，从而控制磁流变效应的强度，实现磁流变液剪切应力无级调节。磁流变传动作为一种新型的动力传动形式，它不仅具有控制方便、能耗小、反应迅速（毫秒量级）的特点，而且外部环境的改变对其影响非常小。因此，磁流变传动技术广泛地运用于机器传动部分的无级调速、执行部分的过载保护、机电设备的软启动和软制动等方面。针对目前国内外在磁流变传动技术领域研究的不足，本文通过以下几个方面展开研究。
　　1.剪切模式下磁流变液层间传力理论计算模型的建立
　　分别利用经典偶极子模型、局部偶极子模型和有限元模型对链中各个铁磁性颗粒受力进行分析计算，并在此基础上分析比较了三种模型，结合本文的实验内容，建立了剪切模式下磁流变液层间传力理论计算模型。
　　2.剪切模式下磁流变液层间传力特性实验装置的设计
　　分析了三种线圈布置方式（线圈外置式、线圈内置式、线圈旁置式）以及三种传动形式（圆盘传动、圆柱传动、圆筒传动），选择线圈布置方式为线圈外置式，传动形式为圆盘传动形式;比较了两种加热方式（加热箱加热、镀铝加热器加热）的优缺点，选择加热方式为镀铝加热器加热;给出磁回路的基本结构，分析确定了磁回路中的各段材料，通过计算得到线圈的安匝数NI=1025A，线圈的匝数N=2050匝;计算得到电磁线圈横截面直径d=0.8mm，单位长度上的平均匝数n1=11.9匝/cm，单位厚度上的平均层数n2=10.87匝/cm。
　　3.剪切模式下磁流交液层间传力特性仿真模型的建立及磁场仿真
　　根据本文实验的基本要求，给出仿真的条件，建立磁流变液层间传力特性研究装置的仿真模型，对装置的磁场分布展开仿真分析。在仿真分析过程中分别将探测头放置在磁流变液所在空间的不同位置进行仿真，并对各个位置的磁场分布进行对比分析。
　　4.剪切模式下磁流变层间传力特性实验装置的搭建及测试
　　设计了剪切模式下磁流变液层间传力特性实验装置的结构原理图和实物图，分析了各个模块的内部组成以及它们之间的关系;制造并搭建实验研究装置，设计实验内容及步骤，对转盘在不同位置进行了实验研究，并对每一位置中的三个变量进行分块实验，得出数据。
　　5.实验结果及其分析
　　在磁场和温度场所组成的复合场的作用下测试了剪切模式下磁流变层间传力特性，建立了剪切模式下磁流变液层间传力特性曲线，并结合理论分析，在铁磁性颗粒达到磁化均匀的情况下，其剪切屈服应力的层间输出特性呈对称分布，其对称面是沿磁流变液所在空间高度方向上的中间平面，形成一个中间高且逐渐向两头降低的磁流变液剪切屈服应力转盘所在位置特性曲线，并结合理论分析对实验结果展开讨论。
　　由三种理论模型所得结果可知:在弱磁场作用下，偶极子边界理论模型计算所得结果与实验值的误差最小，在-1.5％-1％之间，说明在实验值上下波动;局部场偶极子理论模型计算所得结果与实验值的误差范围在2.5％-4％之间，说明理论值总体大于实验值;由经典偶极子理论模型计算所得值与实验值的误差范围在-2.5％-1％之间，说明在实验值上下波动，并且波动的范围较大。
　　在强磁场作用下，由偶极子边界理论模型计算所得结果与实验值的误差最小，在-0.4％-0.2％之间，说明在实验值上下波动;而局部场偶极子理论模型计算所得结果与实验值的误差范围在-1.4％-0.6％之间，说明在实验值上下波动，并且波动的范围较大;经典偶极子理论模型计算所得值与实验值的误差范围在-2.8％-1.6％之间，说明在实验值上下波动，并且波动的范围最大。

目录

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 磁流变液的组成与磁流变传力概述

1．2．1 磁流变液的组成

1．2．2 磁流变传力概述

1．3 磁流变液的性能评价指标及其影响因素

1．3．1 表观粘度

1．3．2 剪切屈服应力

1．3．3 工作温度范围

1．3．4 响应时间

1．4 国内外磁流变液传力特性研究现状

1．4．1 国内磁流变液传力特性研究现状

1．4．2 国外磁流变液传力特性研究现状

1．5 本文的创新点

1．6 本文主要研究内容

第2章 磁流变液层间传力计算模型

2．1 磁流变效应理论介绍

2．1．1 相变理论

2．1．2 场致偶极矩理论

2．2 磁流变液颗粒间作用力计算模型

2．2．1 经典偶极子模型

2．2．2 局部场偶极子模型

2．2．3 有限元理论模型

2．2．4 三种磁流变液颗粒作用力计算理论模型的比较

2．3 偶极子边界计算模型

2．3．1 弱磁情况目标颗粒受力分析

2．3．2 强磁情况目标颗粒受力分析

2．4 本章小结

第3章 剪切模式下磁流变液层间传力特性实验装置结构设计

3．1 磁场控制系统

3．2 传动装置结构形式的设计

3．3 温控系统设计

3．4 磁路设计

3．4．1 导磁材料的选择以及磁路分布形式的设计

3．4．2 磁路的计算与分析

3．5 电磁线圈的设计

3．5．1 电磁线圈横截面直径d

3．5．2 单位长度上的平均匝数n1和单位厚度上的平均层数n2

3．6 本章小结

第4章 实验装置磁场的仿真分析

4．1 电磁场基本理论

4．1．1 安培环路定律

4．1．2 法拉第电磁感应定律

4．1．3 高斯电通定律

4．1．4 高斯磁通定律

4．2 磁场分布仿真分析

4．2．1 定义单元类型及材料属性

4．2．2 建立几何模型

4．2．3 赋予材料属性以及划分网格

4．2．4 施加电流密度以及边界条件

4．2．5 磁场仿真结果

4．3 本章小结

第5章 剪切模式下磁流变液层间传力特性实验研究

5．1 实验装置

5．2 实验内容及步骤

5．2．1 实验前期准备

5．2．2 剪切屈服应力与磁场的关系实验

5．2．3 剪切屈服应力与剪切速率的关系实验

5．2．4 剪切屈服应力与温度的关系实验

5．3 本章小结

第6章 实验结果及分析

6．1 剪切屈服应力r与磁感应强度B的实验研究

6．2 剪切屈服应力r与剪切速率γ的实验研究

6．3 剪切屈服应力r与温度T的实验研究

6．4 剪切屈服应力r与转盘所在位置h的实验研究

6．5 三种理论模型计算值与实验值的比较分析

第7章总结及展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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