磁流变液法向力及减振器研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文磁流变液法向力及减振器研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：郭朝阳固体力学龚兴龙教授宣守虎副教授二O一三年五月一日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeStudyonNormalForceofMagnetOrheOIOgiCaIFluidandMagnetOrheOIOgiCaIDamperAuthor’sname：Speciality：Supervisor：Finishedtime：Chaoy

2、angGuoSolidMechanicsProf．XinglongGongASSOC．Prof．ShouhuXuanMay1吼，2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特j

3、l,J／Jn以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，

4、即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文件的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。母签开口保密(——年)作者签名：牡室目塑签字日期：硅!三：皇：埤导师签名：摘要磁流变液作为一类智能材料，主要由磁性颗粒、载液和添加剂构成，在无外磁场时，磁流变液表现出流体特性；当施加磁场后，磁流变液开始固化，磁性颗粒排列成链状、柱状或者更

5、为复杂的网状结构；当施加的磁场撤消后，磁流变液重新表现出流体特性。磁流变液这种快速的、可逆的转变，使磁流变液在许多领域获得了广泛的应用。过去的几十年中，人们对于磁流变液性能的研究主要集中在垂直于磁场方向的剪切性能，比如粘度、剪切屈服应力、剪切模量等。在磁场作用下，磁流变液会沿着磁场的方向产生法向力，对磁流变液法向力的研究具有重要的工程应用价值和学术意义。一方面法向力会改变磁流变液流动通道的间距，影响磁流变器械特别是磁流变精密器械的性能；另一方面由于磁流变液法向应力远远大于其剪切应力，则在相同输出阻尼力的情况下可以极大地缩小磁流

6、变器械的尺寸，使得利用法向力设计的新型磁流变器械具有更为广阔的应用空间。此外，磁流变液法向力作为磁流变液材料弹性性能的重要体现，对于评价磁流变液材料，理解磁流变液的性能和微观结构变化都有着极其重要的作用。目前对于磁流变液法向力的研究还处于起步阶段，对磁流变液法向力的认识还不够透彻。本文将针对不同模式下的磁流变液的法向力及减振器等关键问题展开研究，具体内容如下。1．剪切模式下的磁流变液法向力利用平板流变仪系统地测试了剪切模式下(包括静态、稳态剪切和振荡剪切)的磁流变液法向力，得到了法向力与测试时间、磁场、温度、剪切速率、以及频率

7、和振幅等的关系，并利用分子动力学方法模拟其变化关系。在静态和稳态剪切下，发现磁流变液法向力随磁场增加逐渐增大并趋于饱和，对此提出了一种磁化模型进行拟合。在恒定的磁场下，静态法向力随测试时间保持不变；而稳态剪切法向力随测试时间周期振荡变化，表明测试平板具有极小的倾斜角也会引起极大的实验误差，这对于精密测量有着举足轻重的影响。稳态剪切法向力并不总大于静态法向力，他们的大小关系依赖于磁场强度、样品体积分数和剪切速率，且都随温度的升高而增大。借助于动态信号分析仪，首次测试了振荡剪切下磁流变液法向力。振荡剪切法向力随测试时间的变化可分为

8、两类：线性粘弹性区域法向力为常值，非线性粘弹性区域法向力周期振荡变化。在振荡剪切下，随振幅变化的法向力可分为三个区域；但随着频率的增加，法向力保持不变，这表明振荡剪切下法向力的测试为理解磁流变液动态性能提供了一个全新的途径。将分子动力学方法引入到剪切模式下的磁流变液法向力的研究中，计算了磁流变液的法向力及摘要其微观机构演化，定性地解释了部分实验结果。该研究为磁流变液剪切模式下的法向力提供了一个全面的认识和理解，并为磁流变液法向力的应用奠定基础。2．挤压模式下的磁流变液法向力在非均匀磁场下，利用平板流变仪系统测试等面积压缩下磁流

9、变液法向力，得到磁流变液法向力随磁场、颗粒浓度、载液粘度、挤压速度和初始间距变化的关系。磁流变液法向力随着压缩间距的减小而逐渐增大，其变化关系可以分为两个区域：弹性变形和塑性流动区。在塑性流动区域，法向力与压缩间距之间满足幂律函数关系。特别地，考虑磁场的非均匀性，以连续介质理