磁场有限元分析步骤

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1、1绪论1.1磁流变液概述1947年，美国学者WinsfowW.M.发明电流变材料。第二年，美国学者Rabinow，J.[1]发明了磁流变材料应用装置(离合器)就出现了。然而在随后的研究中，人们首先对电流变材料及其应用的研究给予了极大关注，各种不同母液和悬浮微粒的电流变材料和一些电流变器件[2,3]相继研究成功。在这个时期，磁流变技术一直处于停滞不前的状态，很少引起人们对此领域的关注，直到上世纪九十年代，研究人员发现电流变材料屈服应力较低，且存在高压安全性问题等一系列难以解决技术问题，所以磁流变液又重

2、新引起了研究者们的兴趣。磁流变液(Magnetorheologicalfluid，即MRF)作为一种新型智能材料，主要由高磁导率、低磁滞性的微小铁磁性颗粒、非导磁性载液及稳定剂组成。载液的作用是将固体粒子均匀地分散开，这种分散作用能保证在零磁场时，使磁流变液仍保持有牛顿流体的特性，而在有磁场作用时，则使粒子形成链化的结构，产生剪切屈服应力，并使磁流变液呈现Bingham弹塑性流体的特性。好的载液应具有低零场粘度，大的温度稳定性，不污染环境等特性。铁磁性微粒大多数由铁、钻、镍等磁性材料组成，在磁场的作

3、用下粒子形成链状，产生磁流变效应。因此，固体粒子材料的化学性质和物理性质，对磁流变液的性能优劣起着决定性的作用。固体粒子一般用球形金属及铁氧体磁性材料，其尺寸范围为5-50μm，所占体积比为15%-30%。稳定剂又称表面活性剂，其作用是促进磁流变效应，防止铁磁性微粒凝聚及沉淀。按作用来说，有沉降稳定剂和悬浮稳定剂，最常见的稳定剂有油酸盐、山梨醇、甘油、二乙胺、低分子量的聚酞胺、琥珀酸酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、苯酸盐、磺酸盐和磷酸盐等，其在磁流变液中的含量较少，一般低于5%。优质磁流变液具有的性能特征是

4、;沉淀稳定性好、易于再分散、动屈服应力高、零场粘度低、响应时间快、工作温度范围宽。Phule[4]利用中等尺寸炭基铁或镍锌铁氧体的颗粒、极性有机载液与纳米级胶体和其他添加剂制备了相对稳定、易于再分散且力学性能优异的作了适当改进。它具有非常好的沉淀稳定性，在中等磁场(0.2T)作用下，屈服应力可达4kPa。磁流变液有三种工作模式，分别为流动模式、剪切模式和混合模式。混合模式即为剪切模式和流动模式的组合模式。相应的磁流变阻尼器的工作模式也有流动模式、剪切模式和混合模式三种。(1)流动模式当磁流变液装置的

5、两个磁极处于相对静止状态，MRF在压差作用下通过两磁极之间流动时，我们可以通过控制磁场强度来控制MRF的平均流速，从而控制MRF的流量，这种工作模式可称为MRF的流动模式。其物理模型如图1.1所示。此种模式下的阻尼液厚度很小，一般在0.02英寸以下。该模式常可用于伺服控制阀，阻尼器和减振器等。(2)剪切模式此模式阻尼液的厚度在0.005—0.015英寸9之间。如图1.2所示，只有一个磁极固定，另一个磁极作平行于固定磁极的运动或绕固定磁极旋转，磁流变液在可移动磁极的作用下通过可控磁场，同样磁场方向垂直

6、于磁流变流体流动，适合于磁极运动的使用场合。这种模式可用于离合器、制动器、锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。图1.1流动模式图1.2剪切模式图1.3混合模式(3)混合模式这是目前应用最多的一种工作模式。如图1.3所示。当磁流变液装置的两个磁极相对运动，且MRF在磁极两端又存在压差时，MRF9在这两者的综合作用下的工作模式叫混合模式。磁极移动方向与磁场方向相同，磁场方向与磁流变液的流动方向垂直，磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作用。磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动磁极移动位移较小，磁流变液产生的

7、阻尼力较大，可应用于低速小位移(一般少于lmm)、大阻尼力的磁流变阻尼器和减振设备等。美国的Lord公司不仅研究磁流变液成分及特性，还研究它的工程应用。Lord公司的Carlson等通过分析磁流变液的特性，指出其在屈服应力，使用温度范围，物理化学稳定性，能耗等方面均优于电流变液，从而开创了国际上磁流变液研究的新局面。他们特别强调磁流变液可用于汽车减振器，离合器和制动装置等，并开始磁流变液减振器的研制开发。图1.4和图1.5分别为Lord公司研制的制动器和RD-1005-3型磁流变阻尼器。图1.4Lo

8、rd公司的制动器图1.5RD-1005-3MR阻尼器美国Lord公司、Ford汽车公司、Delphi公司、德国的BASF公司看到磁流变液的潜在的市场纷纷开展了磁流变材料的研究工作，并取得了可喜的进展。目前已有商业化的磁流变体问世，各国学者的这些研究工作使人们进一步了解磁流变材料的流变机理和宏观特性，为磁流变学的研究奠定了坚实的基础。我国对磁流变材料的研究始于二十世纪九十年代，目前已在磁流变材料制备、流变学机理和工程应用方面取得了一些成就[5,6,7,]。国内较早从事这