磁流變液剪切應力實驗與分析范文

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《磁性材料及器件雜志》2016年第二期

摘要：

為探究磁流變器件失效機理，用兩塊C型電磁鐵耦合建立非均勻磁場。基于提拉法原理設計磁流變液剪切應力測量裝置，得到非均勻磁場中剪切應力曲線。對比基于靜態勻強磁場的圓筒剪切模型剪切應力理論曲線，發現雖然兩者整體趨勢一致，但同等磁場強度下兩者剪切應力值存在不同程度差異，同時發現電磁鐵氣隙磁場也存在非均勻性。上述結論說明靜態勻強磁場磁流變液剪切特性理論并不能直接應用到非均勻磁場剪切應力計算中，可能的原因包括鐵磁顆粒體積分數的分布不均等，需要后續探索。

關鍵詞：

磁流變液;非均勻磁場;剪切應力

1引言

磁流變液常態為懸浮狀牛頓流體，在外磁場作用下可在毫秒級時間內轉變為粘稠狀的類固體或固體結構，撤除磁場后，磁流變液又可瞬間轉變為流動的液體，這種可逆轉變被稱為磁流變效應。現有的磁流變器件均是依據靜態勻強磁場磁流變力學性能制成，剪切應力是磁流變液力學性能重要的性能指標，同時剪切應力的有效傳遞是磁流變器件可靠性的保障。磁流變液剪切應力受諸多因素的影響，如磁場強度、環境溫度等[1-8]。磁場分布不均會導致磁流變器件工作面各點剪切應力不等，進而改變器件工作性能，造成不良影響。因此研究非均勻磁場對磁流變液剪切應力的影響，為磁流變器件的研發提供參考是有必要的。楊巖等[9]指出現有的磁流變器件工作環境都是非均勻磁場，傳統的靜態均勻磁場模型對其分析是不正確的，但并未對其作用原理及失效機制進行深入的研究。劉運等人[10]發現了勻強磁場中磁力矩公式在非均勻磁場中使用時的局限性，需要特別處理才能得到理想的結果。李強等[11]對非均勻磁場下磁流變液表觀密度隨磁場強度的變化進行了研究，指出磁流變液表觀密度隨磁場梯度增大而增大。王宇飛等人[12]用Maxwell對磁流變器件中電磁鐵線圈產生的磁場進行有限元分析，表明多線圈活塞式阻尼器內部的磁感應強度分布是不均勻的，但并未根據磁場分布的特點對磁流變液剪切特性進行進一步的研究。結合現有的磁流變液剪切應力研究成果，本文分析非均勻磁場環境對磁流變液剪切特性的影響以及靜態勻強磁場磁流變液剪切特性模型對非均勻場環境剪切特性的適用性。

2非均勻磁場模型

為了使不均勻分布的磁場更具有對稱性，方便測量，兩組錯放(關于磁流變液區域內平行于C型電磁鐵方向的中軸線呈中心對稱的C型電磁鐵)的C型電磁鐵磁場耦合得到非均勻磁場環境，如圖1所示。電磁鐵磁極氣隙區理論上是勻強磁場，稱作基礎磁場區。兩電磁鐵中間區域是耦合磁場區，該區間磁感應強度大小可以通過調節兩電磁鐵勵磁電壓來控制。若要正確反映非均勻磁場環境磁流變液剪切應力相異于靜態勻強磁場的特點，需要準確描述非均勻磁場區域磁場強度分布。電磁鐵磁場分布較為復雜，用ANSYS仿真非均勻磁場磁場強度分布情況，結果如圖2所示。圖中非均勻磁場區域磁場強度值隨磁極間距的增大而減小，整個非均勻區域內磁感線均豎直向上，表明關于磁流變液區域內平行于C型電磁鐵方向的同一個平面內，其豎直方向磁場強度值相等，即非均勻磁場區域磁場強度分布僅需測量任一水平面磁場強度分布即可。電磁鐵通有一定的激勵電流時，用特斯拉計對實驗區域任一平面磁場強度分布進行測量，經Matlab擬合得到磁場強度分布曲線，如圖2所示。由圖2可知，基礎磁場區磁感應強度值最大，耦合磁場區磁感應強度值隨著遠離基礎磁場而逐漸減小，實驗結果驗證了仿真結果的正確性。圖2中同一水平位置磁場強度大小基本相等，說明可以用單一曲線來代表整個曲面磁場強度分布。為驗證磁場強度分布的正確性，重復測量幾組不同激勵電流的磁場強度分數據，如圖3所示，同樣得到前面所述的磁場強度分布規律。

3剪切特性實驗

研究非均勻磁場對磁流變液剪切應力的影響，磁流變液剪切應力測量裝置變形自提拉法模型，原理是由各個點位移的變化量求導得到各點加速度值，再由受力分析間接求解非均勻磁場各點剪切應力值，測量裝置簡圖如圖4所示。整個測試裝置由剪切裝置、導向裝置、編碼器以及兩組配重組成。實驗測量中剪切片在配重1的拉動下對磁流變液作剪切運動，整個剪切過程為變加速過程，編碼器用來記錄剪切片位移隨時間變化的信息，配重2的作用是保證引導線始終繃緊使得受力在同一方向上。

4結果與討論

實驗中編碼器設定采樣頻率為100Hz，測得的位移數據直接求導得到的加速度數值波動較大，需對位移數據先行擬合再求導，再根據(6)式計算得到剪切應力值。實驗先后得到兩電磁鐵不同勵磁電壓組合時的剪切應力分布曲線，如圖5所示。為驗證非均勻磁場剪切應力計算結果的準確性，實驗依據靜態勻強磁場磁流變液圓筒剪切模型，結合非均勻磁場空間磁場測量數據，推導得到勻強場剪切應力理論曲線。圖6所示為兩電磁鐵基礎磁場均為40mT時的剪切應力測量值曲線與理論值曲線。對比分析圖5、圖6所示的剪切應力曲線，有以下特點：(1)圖5所示不同基礎磁場的三條剪切應力曲線整體趨勢基本一致，剪切應力隨空間磁場強度分布的改變而發生變化。(2)基礎磁場區(0～30mm、90～120mm)是傳統意義上的均勻磁場區域。圖5中三條曲線對比發現，基礎磁場越大，其氣隙均勻磁場區剪切應力波動越大。圖6所示基礎磁場區域剪切應力值與勻強磁場剪切應力理論值相比有較大的波動，說明均勻磁場同樣存在剪切應力分布不均的現象。(3)磁場衰減區(30～45mm、75～90mm)內剪切應力值急劇變化。圖5所示的三條剪切應力曲線對比發現，基礎磁場越強，剪切應力值波動越明顯。圖5所示此區間任一點剪切應力測量值與剪切應力理論值有較大波動。(4)圖6所示中間平穩區(45～75mm)內各點磁場強度值基本相等，剪切應力值也基本相當。圖5中此區域磁場強度最小，三條剪切力曲線在此區域也達到最小值。圖6中此區域內剪切力的理論值大于測量值。上述現象說明靜態勻強磁場磁流變液剪切模型不能直接應用到非均勻磁場環境中，更好地描述磁流變器件在工作時勻強場理論的失效性。而非均勻磁場磁流變液剪切特性相異于均勻磁場環境的原因，可以用磁偶極子理論推導得到非均勻磁場磁流變液剪切應力公式解釋。當磁流變液受外力作用發生微小角度δ形變時，剪切應力值τ與基液磁導率μf、磁流變液體積分數φ、粒子磁化強度M、粒子間距系數λ(相鄰小球球心距與小球直徑的比值)等因素相關。對應相同磁場強度、相同實驗環境而言，非均勻磁場環境中粒子間距系數、磁流變液體積分數等對其剪切應力影響較大。而實驗環境最易觀察到的是磁流變液濃度的變化，利用光透性試驗觀察發現磁流變液中鐵磁性顆粒向強磁場區域聚集，磁場強度相對較小的區域的磁流變液體積分數明顯下降，這使得磁場各處磁流變液體積分數不同，進而導致磁流變液剪切應力有較大波動。非均勻磁場對磁流變液剪切特性影響的其他因素和作用機理，是下一步的研究課題。

5結論

分析得出基礎磁場區作為均勻磁場，同樣存在磁場分布不均勻現象；基礎磁場磁場強度值越大，衰減區剪切應力衰減越劇烈，中間穩定區磁場分布雖然近似勻強磁場，但是剪切應力同樣波動較大。非均勻磁場對磁流變液剪切應力的影響因素包括基液磁導率、磁流變液體積分數、粒子磁化強度、粒子間距系數等，通過光透實驗僅說明了非均勻磁場影響了磁流變液體積分數的分布，對于各個因素的影響機理分析需要后續實驗進一步探究。

作者：賀新升 任韶卿 高春甫 黃鵬 王鴻云 陳衛增 單位：浙江師范大學 工學院 蘭州交通大學 機電工程學院