磁流变液剪切屈服应力的数值计算.pdfVIP

第3 1卷第2 期 中　国　科 　学 　技 　术 　大 　学 　学 　报 Vol . 31 ,No . 2 2 0 0 1 年 4 月 JOURNAL OF CHINA UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLO GY Apr . 2 0 0 1 ( ) 文章编号 2001 磁流变液剪切屈服应力的数值计算 金 　昀 ,张培强 ,汪小华 ,吴卅建 ( 中国科学技术大学力学和机械工程系 ,合肥 230027) 摘要 :利用 Maxwell 应力张量 ,考虑颗粒的磁化饱和过程和非线性磁化过程 ,使用 AN SYS 软件三维有限元单元建立了基本力学模型 ,计算结果和实验取得了良好的一致. 并就颗粒的体积浓度 、磁化饱和强度等对磁流变液性能的影响进行了计算和比较. 还 构建了体心立方结构模型 ,初步计算了这种模型下磁流变液的剪切屈服应力. 关键词 :磁流变液 ;剪切屈服应力 ;Maxwell 应力张量 中图分类号 :O733 ; O361. 3 　　　文献标识码 :A 引　言 [ 1] 磁流变液 是由微米量级的可磁化的固体颗粒分散于母液如硅油中所形成的悬浮体. 在外加磁场的作用下流变性能会发生急剧变化 :零磁场时为低粘度的牛顿流体 ,加磁场后呈 类固态. 其粘度成数量级的增加 ,表现出较强的抗剪能力 ,即出现外场可控的剪切屈服应力. 磁流变液的剪切屈服应力 ,代表着其固化强度的大小 ,是评价这种材料性能的主要参数之 一. 如何从磁场诱导下磁流变液形成的微结构出发计算 、估计磁流变液的剪切屈服应力也自 然成为理论研究者关心的焦点[2～7 ] . 以往的有关理论模型由于假设的模型不同 ,其结果也有 较大差异. 其中平均场模型[3 ] 由于忽略了颗粒间的磁场集中效应 ,所得屈服应力的计算结果 [2 ] 往往低于实际数值 ,而且没有计入磁饱和效应 ,只适用于低磁场的情况. 极化小球模型 没 有考虑颗粒磁化的非线性过程 ,得到的计算结果往往偏大. 总之 ,颗粒磁化过程的复杂性及 内部结构的多样性给磁流变液的理论分析增添了许多困难. 抓住问题的主要方面作出合理 的简化是成功运用一个模型的关键. 本章利用Maxwell 应力张量 ,从三维单个颗粒入手 ,考虑 了颗粒的磁化饱和过程和非线性磁化过程 ,对美国Lord 公司生产的型号为 MRF132LD 的磁 流变液进行计算 ,计算结果和实验取得了良好的一致. 并且就颗粒的体积浓度 、磁化饱和强 度等对磁流变液的影响进行了计算和比较. 同时又建立了体心立方结构模型并初步计算了 这种模型下磁流变液的剪切屈服应力. 收稿 日期 ( ) ( ) 　基金项 目: 国家自然科学基金重点项 目 ; 国家自然科学基金项 目 　作者简介 :金昀 ,男 ,1975 年生 ,硕士. 第 2 期 　　　　　　　　　　　　磁流变液剪切屈服应力的数值计算 　　　　　　　　　　　　　 169 1 　基本结构模型 实验观测表明,磁流变液在外加磁场的作用下会从原来的无序结构转化形成链状结构. 基于以上实验观测 ,我们构造出计算模型 ,如图 1 所 示. 基本假设是磁流变液在零场下为均匀 、各向同性 的介质. 在磁场作用下磁性颗粒均匀地形成一条条的 单链. 我们从中提取仅包含一个磁性颗粒小球单元 体 ,认为链相对于单个磁性小球在纵向上是无限长 的 ,对于任何一个磁性小球单元体来说受到的力完全 对称 ,只考虑上 、下相邻颗粒的作用 ,并且忽略相邻链 对该磁化小球的作用 ,对这个单元体进行受力分析. 对于单个小球的单元体 ,它的几何尺寸 :铁磁性 颗粒小球的半径是 R , 出于系统的对称性考虑, 认为