为了更好地研究磁流变液的宏观性能和温度对屈服应力测试装置的影响,首先从微观角度来分析磁流变液的链化过程,通过数值模拟与实验观测相结合的方式来分析磁流变液内部链化形成结构。然后利用Fluent仿真软件模拟屈服应力测试装置的温度场,通过仿真云图来探究其温度对屈服应力测试装置的影响。最后对屈服应力测试装置进行优化与改进,来更好地提高磁流变液测试装置的精确度,也为磁流变液的制备配方和设计提供了参考依据。

磁路环境是制约磁流变液装置正常工作的最主要因素,良好的磁路环境使磁流变液测功机具有更佳的经济性和实用性。以新型磁流变液测功机为研究对象,利用Ansoft Maxwell软件对其进行磁场仿真,研究隔磁环和导磁材料对磁流变液测功机磁场性能的影响。通过搭建磁流变液加载磁场试验台架,对3种不同体积百分比的磁流变液样品进行磁场加载试验,相同电流下仿真结果与试验结果平均误差为8.9%,证明仿真方法的可行性。研究表明,体积分数对磁流变液工作间隙处的磁感应强度影响极其微小;磁流变液测功机工作间隙内磁感线分布较为均匀,磁感应强度在120~162 mT范围内,且不同影响因素对磁流变液测功机工作间隙内的磁感应强度有不同程度的影响。

磁流变液(magnetorheological fluid,MRF)屈服应力测试装置在工作运行过程中产生了大量的热,导致测试装置温度升高,屈服应力测试精度下降的结果;同时对磁流变液特性也造成了很大的影响。课题组基于FLUENT软件对测试装置进行仿真分析,以提高测试精度。首先,设计屈服应力测试装置,建立包含漆包线、装配间隙等特征的测试装置温度场模型;其次,对测试装置进行网格划分并运用仿真软件对温度场变化进行模拟研究;最后,在仿真模型的基础上,对漆包线绕组综合热导率和测试装置装配间隙进行分析。研究得到了温度对装置的影响规律,确定了最佳综合热导率及装配间隙;并确定该装置测试屈服应力时的最佳温度场。温度场研究提高了该装置对屈服应力测试的精度。

磁流变液作为一种智能材料,其电学特性的准确探究有助于其在相关领域的有效利用。本工作研究了磁场强度、正压力以及磁性颗粒的粒径和体积分数等电学参数与平行板间磁流变液电阻的映射关系,推导了平行板间磁流变液电阻的理论计算公式。实验与理论计算的对比结果显示,本工作提出的磁流变液电阻计算方法有较强的可行性和准确的适用范围。

磁流变液(Magnetorheological Fluid,MRF)的沉降稳定性是磁流变领域的一个重要研究方面,同时也是反映磁流变液品质的一个重要指标,优良的稳定性对于磁流变液的保存和应用具有重要意义。笔者基于重力沉降理论导出了磁性颗粒的匀速沉降速度,结合基于斯托克斯公式的颗粒沉降速度公式,分析讨论了沉降稳定性的影响因素,包括颗粒直径和颗粒与基础液密度差等,并阐述了前人为提高其稳定性在颗粒、基础液及添加剂等方面所做的的工作;对目前磁流变液沉降稳定性常用的表征方法进行了系统论述。最后,笔者提出:探索更具代表性的表征方法并弄清楚其作用机理,以及探究更为有效的改善稳定性并以不牺牲其他性能为代价的方法将会成为日后研究工作的重点。

为了提升磁流变液剪切屈服应力计算的准确性,课题组以麦克斯韦应力张量理论为基础,从微观角度考虑非线性磁化过程从而建立磁流变液链状模型。以MRF-122EG和MRF-132LD磁流变液2种液体样本为研究对象,通过ANSOFT软件进行磁场仿真并得出2种样品的屈服应力。结果显示:MRF-122EG、MRF-132DG样品的屈服应力与Lord公司提供的对应技术参数的最大相对误差分别约为6%和9%,属于实验允许的范围,说明该理论模型具有合理性。该研究也为磁流变液剪切屈服应力计算提供一种实用的方法。

磁流变液作为一种智能材料受到了越来越多的关注,但是目前针对磁流变液的研究主要集中在磁流变液的应用以及改进磁流变液的配置方法,对于磁流变液的电学特性的研究很少。因此,通过设计的磁流变液电阻测量装置探究了不同磁场和正压力下磁流变液电阻值的变化情况,并探究了粒径和质量分数对磁流变液阻值的影响。实验结果发现,当磁场强度在0~0.15T时磁流变液的电阻值会迅速从无穷大急剧下降,下降幅度大约为85%。另外,磁流变液中磁性颗粒的粒径与质量分数会对磁流变液的电阻值产生明显的影响。

基于磁流变液的流变特性,设计了一款盘面加工有矩形凸块的盘式磁流变制动器,推导了其制动力矩计算公式,基于Matlab/simulink建立了仿真模型,不断优化矩形凸块的尺寸参数。仿真结果表明,当加工有12个宽度为2 mm、深度为1.5 mm的矩形凸块时,产生的制动力矩达到626 N·m,比未加工凸块时的制动力矩提高了31.5%,表明设计的磁流变制动器可以有效地提高制动力矩。

为了探究润滑剂的使用对磁流变液的终端行为即屈服应力的影响,课题组采用球磨、基液置换的方式分别配制了含有石墨、二硫化钼、氮化硼、氢化蓖麻油和聚四氟乙烯等5种润滑剂的磁流变液样品;并利用自制的磁流变液屈服应力测试装置,在不同的磁感应强度下和整个沉降周期内,分别测量了它们单独添加及混合使用时的磁流变液剪切屈服应力。试验结果表明:聚四氟乙烯对于提高剪切屈服应力的影响最为明显;二硫化钼及石墨混合使用效果优于二者的单独使用。该研究表明润滑剂可以改善磁流变液的屈服应力但作用不尽相同,同时润滑剂的混合添加较单独使用效果更佳。

在磁流变液工作过程中不可避免会产生热量,使工作温度升高并影响磁流变液相关性能。笔者从电磁、摩擦和磁热效应等方面综述了磁流变液工作过程中热量产生机理,并且阐述了工作环境温度升高后对磁流变液各组成成分、黏度和剪切应力等主要特性的影响。温度的升高不仅会使磁流变液各成分发生相应变化,也会使黏度和剪切应力减小,导致磁流变液性能降低甚至发生不可逆变性。因此笔者认为:为了有效延长磁流变液使用寿命,一方面可以优化磁流变液配方,配制出具有良好温度适应能力的磁流变液,另一方面可以通过建立包含温度参数的剪切屈服应力模型来预测磁流变液性能随温度变化情况,从而更加精确控制磁流变液工作温度;当温度大幅上升不可避免时,应及时采取冷却措施。