磁流变液屈服应力测试仪磁路设计与仿真

　　0 引言

　　磁流变液是人为地将磁性颗粒在表面活性剂的作用下均匀地分散于非磁性流体介质中形成的，它是一种对磁场敏感的智能材料。在无外加磁场作用时，表现出牛顿流体的性质，具有良好的流动性。一旦施加一定强度和方向的磁场，其流变特性急剧变化，表观粘度增大，流动性消失，类固特性增强，具有抵抗剪切变形的能力; 外加磁场消失后，其又迅速恢复原来的流动性。由于流变特性是连续地、迅速地 ( 响应时间小于 5 ms)且受温度变化影响较小，磁流变液被广泛应用于土木工程、航天工程、机电工程、精密加工、控制工程和医学等领域。屈服应力是磁流变液最重要的性能指标之一，因此，准确、快速、方便地测量磁流变液的屈服应力对磁流变液的理论研究、性能分析和磁流变液压元件的开发与应用有重要的意义。有限元法具有很强的分析能力，Ansys 作为目前最强大的有限元分析软件，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁学等学科的研究。本文利用 Ansys 仿真求解电磁场问题，并对结果进行了分析。

　　1 工作原理

　　平行圆盘式磁流变液屈服应力测试装置工作原理如图 1a 所示，用 2 平行圆盘作为测试的耦合材料，2 圆盘间充满了磁流变液，将 2 圆盘安装于由电磁铁产生的均匀磁场 B 中，磁场方向与盘面垂直。由磁流变液的流变特性知，在外加磁场的作用下，其表现出类似固体的性质，能够抵抗剪切变形。当给上圆盘施加扭矩时，该扭矩会通过类固态的磁流变液传递至下圆盘，通过调节线圈通电电流的大小可以改变磁场 B 的大小，进而改变传递转矩的大小。在下圆盘接入扭矩传感器，测得扭矩 Μ。如图 1b 所示，取距圆心 r、微小宽度 dr 的圆环，设在整个圆环上的剪切应力等于屈服应力 μy，且剪切应力的方向垂直于半径，圆环上的剪切应力对于圆心 O 的力矩

　　整个圆上剪切应力对圆心 O 的力矩 Μ 为式

　　2 磁路设计

　　磁流变液屈服应力测试仪磁路部分的基本结构示意图如图 2。整个磁路由 8 个部分串联而成。励磁线圈通电后，将形成 1 个由磁轭—空气隙—上圆盘—磁流变液—下圆盘—空气隙—磁轭组成的闭合回路。

　　为简化模型提出以下假设:

　　1) 磁路工作气隙相对很小，忽略漏磁通;

　　2) 磁轭结合部分接触表面加工精度高，并且处于压紧状态，忽略磁轭结合部分的磁阻;

　　3) 磁流变液在工作间隙中是均匀分布的，即工作间隙的磁流变液磁导率相同;

　　4) 忽略线圈部分的绝缘框架对磁场的影响;