磁流变体的研究状况及应用

1、毕 业 论 文磁流变体的研究状况及应用学 号 姓 名 班 级 数控072 专 业 数控技术 系 部 机电工程系 指导老师 完成时间2009年 6 月 30 日至2009年10 月 15 日目录第一章磁流变体材质和结构3第二章磁流变体相关实验及理论研究42.1磁流变体的研究方式42.2相变和成核理论.4.2.3磁流变液剪切屈服应力的数值分析52.4实验研究影响磁流变效应的因素.122.5交变磁场下盘型磁流变流体阻尼器的动力特性.182.6磁流变液挤压增强效应的研究.25第三章应用前景.29参考文献.31磁流变体的研究状况及应用 摘要:简单回顾了磁流变体研究的历史,介绍了该种致流变体近年来的研究进

2、展和在航空工业等领域中的应用情况,并给出了我国进行磁流变体理论研究和产品开发的一些思路。引言 致流变体是智能材料中的一个重要分支,深受国内外科学界重视,其构成有磁流变体(MR)和电流变体(ER)。两者都是悬浊液,在强磁场或强电场下, 发生流变效应,使其粘度及屈服强度大大提高。ER和MR在本世纪40年代分别由美国人W.Winslow和J.Rabinow提出,此后各国把主要精力和财力投入在ER的研究中,只是在近年来,提高ER强度和稳定性的研究遇到困难,才把主要方向转向MR研究。实质上,ER和MR是相互联系的。磁流变体英文名字为Magnetorheological Flu- ids,简称MR,我国研

3、究人员有时也称为磁流变液。MR一般由基液、弥散质、活化剂三部分组成,基液一般选用植物油和矿物油,弥散质选用磁性微粒,加入活化剂是为了增强流变效应和解决MR沉淀问题。在致流变体中,MR与ER功能相似,但MR的强度要比ER高12数量级,从而可以缩小容载器的体积; MR适应的工作温度宽, ER的工作范围为-25125,而MR的为-40150;不受杂质的影响,因而化学稳定性也强于ER。从安全用电方面考虑,ER采用了高电压(15kV),而MR采用低电压(1224V)。从而可以说MR比ER更加实用,以MR代替ER将是致流变体的必然。关键词: 磁流变液 剪切应力 智能材料第一章磁流变体材质和结构致流变体在外

4、加场强作用下,其粘度显著提高的原因是链状结构的产生,MR抗剪强度大于ER是由于MR中磁性链间粒子间吸引力高于ER中电极性粒子吸引力,因而在寻求高强度MR弥散质时,人们着眼于:(1)流变效应是一种可逆变化,因此,它的磁滞回线必须狭窄,内聚力较小,而磁导率很大,尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大。 (2)磁流变效应应具有较大的磁饱和强度,以便使得尽可能大的“磁流”通过磁流变体流体的横磁截面,从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量。 (3)磁流变体在接通交流电的工作期间内,全部损耗都应该是一个很小的量。 (4)磁流变体中的强磁性粒子的分布必须均匀,且分布率保持不变,这样才能保证其高度磁化及稳定性。(5

5、)为了防止磁流变体被磨损并改变性能,磁流变体必须具备极高的“击穿磁场”。 (6)一般来说,磁流变体的稳定性不应随温度变化而改变,即在相当宽的温度范围具有极高的稳定性。现在MR流体中所用的磁性材料多是由铁、钴、镍等多畴材料组成,其比重都比基液相的比重大,因而沉淀是一个大化剂的方法,类似于乳化液把弥散质和连续相联结起来。而白俄罗斯的Kordonski则采用把极细的硬磁性材料和较大的软磁性材料同连续相一起混合的方法来防止沉淀。针状硬磁性材料的一端均匀地附在软磁性材料粒子的表面,使之成为一个个“蒲公英”,从而改善了沉淀问题。通过此种方法,他们得到的MR流体比仅用硬磁性材料时的剪切强度增大4倍。另外一种

6、解决方法是密度适配法,但此法受温度影响较大而不稳定。美国的Lord公司报道了6种合金磁流变液制备结果,所使用的固体颗粒为铁-钴,铁-镍,铁-钴-钒等合金的超细粉末,当固体颗粒体积比为0.25,在550kA/m(7000Oe)的磁场强度下,这些材料的动态屈服应力可达到2048kPa。EMR是电磁流变效应的简称,EMR效应的研究也引起了人们的重视,日本米泽大学的K.Koya- ma比较细致地研究了EMR流变叠加效应。他们用自己制造的平行板流变仪来研究EMR的叠加,在研究中发现,当电场与磁场平行施加时,可以发现EMR的显著叠加效应,平行叠加导致生成许多平行于场的链,而垂直叠加则导致生成网络状结构。现

7、今的MR流体的主要弱点是响应时间较长, 由于磁流变效应的研究刚刚起步,因而对磁流变体响应时间的报道不多,对磁流变体温度效应的报道也很少。基液(或称弥散剂)的材质选择除从高绝缘性和绝磁方面考虑之外,还涉及到基液和弥散体的亲和力大小。高亲和力有利于减少沉淀作用,但有碍于粒子的迁徙和转动,从而增长反应时间;而低亲和力作用恰恰相反。目前基液的选材基本定型,常用的有煤油、变压器油和高级硅油等。活化剂的选择是现在MR研究中一个热点,也是一难点,它的好坏直接关系到MR性能的优劣。目前,人们主要是从防止沉淀的角度考虑,即从与基液的亲和力方面着手,国外资料对这方面还没有报道, 国内的研究还处于初级阶段。问题。解

8、决此问题的措施有加入活第二章磁流理论研究科学技术的突破往往基于理论研究上的新成就,MR的流变效应理论方面的研究包括模式、相变、MR性能和参量间关系等方面2.1磁流变体的研究方式在MR研究过程中,人们主要从理论推导、试验模拟和有限元分析三个方面开展工作。法国Grenoble和美国H.Corad研究小组的理论公式是建立在两微粒或单链中点偶极子矩相互作用力模式上,并用很小的钢球在空气中和在介质液中作相应的验证实验。数学模拟和有限元分析的代表人物是美国的J. Ginder,L.Davic和南伊里诺大学的华人陶奈甲、J. Ginder等人用数学分析法给出了MR处于低场强时其屈服应力yH20(H0为外加场

9、强),高场强时,yH3/2,而在粒子饱和时(饱和磁矩为Ms),yM2s。其抗剪模量也有相应关系,该试验小组给出羰基铁作为MR弥散体的实验验证数据。很多研究人员是在试验的基础上来建立理论体系的关系式,美国加州州立大学将MR作成胶片,利用光镜研究液体变固体的演变过程,该试验给出演变过程的三个区域的分界外加场强Hc1,Hc2和Hc3, 并给出了外加场强和有关因素的关系,这种分区的提法和前面数学模拟法得出的结论一致。2.2相变和成核理论磁流变体在外加场强时,粘度提高有几种理论解释,其中最主要的是相变和成核理论。该理论认为在外加场强由零增高时,弥散在基液中固体颗粒为随机状态,其迁徙和转动受热波动影响,被

10、称作自由相。当场强增加到一定程度后,颗粒磁化,受热波动和场强两方面影响,某些颗粒互相靠拢成有序排列, 称作有序相(或成核)。随后随着场强增加,这些有序相联成长链,且以长链为核心,吸收短链,使链变粗, 构成固态相。相变观点能解释MR的部分现象,但并没有被大多数人所接受,因而还需实验验证。与相变理论同时存在的是场致偶极矩理论,该理论认为在外加磁场作用下,每一颗粒都极化成磁偶极子,各个偶极子互相吸引形成链(或纤维),MR流变效应强度与偶极子链的力的大小有关,静磁相互作用是该理论的基础。该理论能解释单链强度函数关系式的诸影响因素,也能解释链演变过程的外加场强的三个区域,但该理论不能解释链变粗过程以及强

11、度和粒子体积百分比关系,也不能解释MR强度和粒子大小(单畴和多畴)间的关系。2.3磁流变液剪切屈服应力的数值分析1计算模型铁磁性颗粒在磁场作用下被磁化，铁磁性颗粒之间的磁作用力使颗粒形成链状或柱状聚集结构，直接导致了其流变性能的改变2.磁流变液机理的传统分析方法均以单链结构为基础，认为链与链间距离较大，忽略周围链的影响.本文首先对具有平行等间距链状结构的磁流变液进行建模，建模时计及了周围链的影响，并且周围链数可以为任意值. 假设磁流变液中，外加磁场方向与链起始时的方向一致，由铁磁性球形颗粒形成的单链是理想的，链内颗粒之间的间距相等，并且颗粒大小相等. 在磁场作用下，铁磁颗粒被磁化产生磁偶极矩.

12、2个磁偶极矩分别为m，和m，相距为;的磁偶极子，它们间的磁相互作用能为。1/1 . 。(2 式中:产，为磁流变液中载液的相对磁导率;产。为真空中的磁导率. 假设磁流变液中链未形成聚集结构，链与链之间平行等间隔排列.假设相邻链与链之间的间隔为Do，链内相邻颗粒之间距离为d ,颗粒半径大小为R，链的方向与磁场方向一致.任取一颗粒为坐标原点，建立三维直角坐标系，如图1所示.记空间任意位置处颗粒坐标为(.!l. 假设磁流变液发生剪切变形后，链偏离原来位置角度为8.设颗粒磁偶极矩大小相等，记为，并且方向相同，与磁场方向一致，则式(2)变为设剪切在x方向，颗粒只发生x方向位移，记为u，则剪应变为一答，有

13、乙设剪切在x方向，颗粒只发生x方向位移，记为u，则剪应变为一答，有发生剪切变形后，颗粒新位置坐标为(x+yz，y，z)有 乙将式(S)，(6)代人式(3)，得 位于坐标原点处的颗粒与位于空间各处的颗粒之间都有磁相互作用能，对式(7)求和就可以得到位于坐标原点处的颗粒受到的磁相互作用能总和为式中艺为对空间各处颗粒求和. 体积为 3颗粒体积比浓度为甲的磁流变液中磁能密度为 上式对剪切应变Y求导，即可得到由于磁场引起的附加剪切应力.磁流变液中铁磁颗粒总数为有限值，可交换求和与求导的顺序，得_退一9m2* ay 32Z声3名 记x=kD。，y = LD。，z一nd。，间距排列，故k，l，n都为整数.令

14、入-由于链平行等子即相邪键间距离与链内相邻颗粒距离的比值，式(10)成为为所考虑空间范围内离坐标原点最远处颗粒的坐标值. 如果不考虑周围链的影响，按照单链模型偶极子理论，磁流变液的磁致剪切应力为s7由上式即可得到按单链模型计算时的误差，且比误差与链内相邻颗粒距离无关.2链状结构的剪切屈服应力分析 在磁场作用下，铁磁性颗粒均匀地形成一条条单链.假设链内相邻颗粒之间距离相等，链与链之间平行等间隔排列，从一条链中提取出仅包含一个磁性颗粒小球的单元体，如图2所示. 单元体可认为是长方体，它的几何尺寸:长、宽都为D.,高度为d。，单元体无限扩展后即为平行等间距链状模型令. ，则颗粒体积比浓度与单元体几何

15、尺寸之间的关系可以表示为，即。一般认为，磁流变液的剪切屈服应力是其剪切应力一应变曲线图中的应力最大值.限于计算量，并不失一般性，计算时所取k-max lmax nmx、值分别为300,300,1 000.对于小应变情况，不妨取y-0. 000 1. y = 2时，按式(12) ,(15)作出的磁场一定时，磁场引起的无量纲化磁流变液剪切应力、应变关系如图3所示. 图3 链状模型磁致应力应变关系 从图中可见，外加磁场一定时，磁致剪切应力一应变关系图中，磁致剪切应力在达最大值前，与剪应变近似呈线性关系;当剪应变y=0. 37时，磁流变液的磁致剪切应力达到最大值，可将其作为磁流变液的剪切屈服应力.其它

16、y时的剪切应力一应变关系与图3非常相似，可近似地将y=0. 37时的剪切应力值作为磁流变液的剪切屈服应力，即， 不同情况下的磁流变液剪切屈服应力的比值大小，可近似用小应变下的磁致剪切应力比值来代替，即近似用式(15)来代替.计算得到的不同入时，修正模型与单链模型磁致剪切应力比值r如图4所示.图4 2种模型的磁致剪切应力比值 从图中可见，用了修正后的磁流变液计算模型后，与单链计算模型相比较，考虑周围链影响后计算所得磁致剪切应力变小，即单链模型高估了磁致剪切应力大小.当链内颗粒间距d。一定时，y值较小，也就是链与链之间距离较小时，单链模型的误差较大.而当久值较大，也就是链与链之间距离较大时，2种模

17、型的结果趋于一致.假设a=2，即认为链内颗粒互相接触，设颗粒体积比浓度为y=0.1,由式(17)知,y=2.288.图4中知，此时，即按单链模型计算会有6.5%的误差。当颗粒体积比浓度更大时，y值将变小，此时若仍按传统单链模型计算，误差显然不能忽略.比如，当y=0.4时，对于链状模型，由式(17) 知，y = 1. 144，按式(15),2种模型计算结果比值约为0. 839，即单链模型将有16. 1%写的误差.常见的磁流变液中，铁磁颗粒一般为碳基铁粉颗粒，其饱和磁极化强度满足:u0M=2. 1 T.取y=0.4,假设a二2，由式(12),(14),(15)得磁饱和时的磁流变液剪切屈服应力值为

18、这是只考虑磁相互作用能时，OH基铁粉颗粒体积分数为0. 4的磁流变液所能达到的剪切屈服应力的上限. 同样，由式(12),(13),(15)可得到不同磁场强度下磁流变液的剪切屈服应力.3柱状结构的剪切屈服应力分析、 磁流变液中，链与链之间会聚集成柱状结构，且对于球形颗粒，颗粒稳定聚集结构为体心立方(BCT)结构.本节构建了BCT结构计算模型，计算磁流变液磁致剪切应力，并对链状和柱状结构的剪切屈服应力大小进行比较. 对于BCT结构单元，其3个方向长度比为，设长度最短的边所在方向为链的方向，且与外加磁场方向一致.则BCT单元在空间无限扩展后，即为2系列的平行等间距链，只不过2系列链在3个方向上互相错

19、开此方向的半个单位距离.可见柱状结构内部，可看成是由2个系列的平行等间隔链所组成. 柱状结构的磁致剪切应力分析，计算过程与链状结构相似，即式(11)对空间各处颗粒求和.只不过对链状结构进行计算时，是对一个系列链中颗粒求和，而对于柱状结构，要对各个柱2个系列链中颗粒求和.由于柱大小有限，位于柱内不同位置的链中的颗粒受到的磁相互作用能不同，求磁流变液中的磁能密度时，对柱内不同链中颗粒的磁相互作用能作了平均. 假设磁流变液中，柱与柱之间平行等间隔排列.则对柱状结构的建模计算，涉及到2个问题:柱的粗细，柱与柱之间的间距.假设柱在链方向也就是沿磁场方向无限长，但在垂直于磁场方向长度有限.不失一般性，作为

20、近似，假设垂直于磁场方向，单个柱由N2个BCT单元组成，即单方向上含有N个BCT单元.N值变化时，柱的大小也随之变化.每个柱内链的总条数由下式给出 设磁流变液中铁磁颗粒体积分数为y，同样设链内相邻颗粒距离d。=aR，则垂直于磁场方向单位截面内链的总数为单位截面含柱个数为则相邻柱与柱之间距离为 从而，可以定出周围柱以及周围柱中链的位置. 对于链内颗粒间距较小的情况，不妨假设o = 2R.限于计算量，计算时只考虑了周围20层柱的影响;对于单个柱内链数为上百条的情况，不妨假设N=7.给定颗粒体积比浓度为p=0.3，应用式(15)，对柱内颗粒和周围柱中颗粒求和计算得到磁场引起的无量纲化磁流变液剪切应力

21、、变关系图(见图5).图5柱状模型磁致应力应变关系 从图中可见，外加磁场一定时，与链状结构相似，含柱状结构磁流变液的磁致剪切应力一应变关系图中，磁致剪切应力在达最大值前，与剪应变近似呈线性关系，故小应变下磁致剪切应力的比值即可近似作为剪切屈服应力比值;当剪应变y=0. 35时，含柱状结构磁流变液的磁致剪切应力达到最大值，可将其作为磁流变液的剪切屈服应力. 小应变下，颗粒体积分数为0. 3时，修正模型与单链模型的磁致剪切应力比值r随N变化关系见图6 a. N=7时，计算得到的修正模型与单链模型的磁致剪切应力比值r随颗粒体积比浓度y变化关系如图6b所示.图6 2种模型计算得到的磁致剪切应力的比值

22、从图6可见，对于柱状结构，单链模型仍然高估了磁流变液的磁致剪切应力，也即高估了其剪切屈服应力.柱内链数越多，也就是柱越粗时，2种模型差别越大;颗粒体积比浓度越大，柱与柱之间距离较小时，2种模型的差别也较大.y一定时，磁致剪切应力有随着柱内链数增加而下降的趋势.从图6b知，y=0.1，N=7时，修正模型与单链模型磁致剪切应力比值，即剪切屈服应力比值为0.915，比y=0.1,链状模型对应的比值0.935略小.当y=0.4时，对于链状结构，y=1.144，2种模型计算结果比值约为0.839;从图6b知，对于柱状结构，修正模型与单链模型剪切屈服应力比值为0.894，故此时柱状结构磁流变液的剪切屈服应

23、力比链状结构的要大. 可见，颗粒体积比浓度较小时，在提高磁流变液剪切屈服应力方面，链状结构比柱状结构要好; 但颗粒体积比浓度较大时，柱状结构优于链状结构.而从式(12)可知，磁流变液磁致剪切应力随着颗粒体积分数线性增加.虽然按式(12)计算会有误差，但误差不太大，不能抵消颗粒体积分数增加时磁致剪切应力增加的趋势.所以在应用磁流变液时，为了得到较大的剪切应力及剪切屈服应力，人们总是倾向于选择较大的颗粒体积比浓度，并且此时柱状结构为较优结构，这与人们的一般认识也是一致的.4结论 1)传统的单链模型高估了磁流变液的剪切屈服应力.颗粒体积比分数为0. 4时，对于链状结构，单链模型误差为16. 1%，而

24、对于柱状结构，用单链模型计算时，其误差为10.6%. 2)若仅考虑磁相互作用能，在提高磁流变液的剪切屈服应力方面，颗粒体积比浓度较小时，链状结构比柱状结构要好;而当颗粒体积比浓度较大时，柱状结构优于链状结构。2.4实验研究影响磁流变效应的因素1.实验方法磁流变液由悬浮相、表面活性剂或固态胶体稳定剂、悬浮介质组成.悬浮相采用系列拨基铁粉和铁合金粉，粒子大小为0. 5一20 um，体积分数为15%-30%.添加剂及预处理剂分别采用磺酸盐、油酸、偶联剂、烷基胺磷酸脂、澳化烷基甲基胺、烷氧基硫代磷酸盐、Tween80,OP一10,聚乙二醇、Si02:及其它非离子型添加剂等，添加体积浓度为0. 5%一6

25、%.悬浮介质分别采用硅油和烃类油，采用合成方法、球磨的配球量法、基液置换法等方法配制磁流变液. 笔者采用自制的磁流变液的磁流变效应测试装置.该装置采用上、下高度平行的两碟片，保证了磁场在磁流变液测试中的均匀性，同时为了克服磁流变液在边界处发生滑移，使得传递到壁面的剪切应力小于流体中的真实应力，该装置使用了高磁导率的材料特制的两碟片解决剪力传递的间题.在室温下，分别对0.1一0. 6 T磁场和剪应变率r= 50 -400不同条件下的磁流变效应进行测量.2结果与讨论2.1磁场弧度 图1是磁流变液在不同磁场强度下剪切应力随剪应变率变化的曲线，从图时，剪应变率为零时所对应的剪切应力并不为零，表明中可以

26、看出，当加人外部磁场要使磁流变液发生流动，其剪切应力必须大于某一值，即要达到磁流变液的屈服极限，同时图中表明了随外加磁场强度的增加，同一剪应变率所对应的剪切应力也随之增加，此外，在相同的磁场强度下，磁流变液的剪切应力随剪应率变化不很明显.图1剪切应力随剪应变率变化的曲线 由于悬浮于基液中的固体磁性粒子在磁场作用下的极化，使得在基液中作无序状态分布的粒子有序化，形成粒子链、粒子束，最后形成某种稳定的结构，使得磁流变液的猫度增加，液体变稠，流动性降低，液体要恢复流动，应力必须达到屈服极限，才能打破这种结构.随着磁场强度的增加，这种粒子极化后的稳定结构更加牢固和结实，恢复流动所需的力也相应增大，因而

27、屈服应力增大.在外加磁场作用下，在磁流变液中的固体粒子极化形成稳定的网状结构，是磁流变液变稠、固化以及产生屈服应力现象的主要原因，也是磁流变效应的主要因素. 一图2是在剪应变率为105/s，一时，3种不同组分的磁流变液的剪切应力随磁感应强度变化的曲线.从图中可以看出，3#试样屈服应力对磁场强度响应特性优于1# ,2#试样，3#试样的智能化性能较好;曲线呈明显的“S”形，当磁感应强度大于3 000 Gs时，曲线的斜率随磁感应强度的增加而变小，剪切应力值最终趋于某一稳定值.实验表明，当外部磁场强度增加到一定值后，磁流变液中的磁性介质微粒出现了磁饱和，从而维系微结构的磁力将不再增加，表现出剪切应力随

28、磁感应强度的增大而趋于饱和. 图3是在不同磁感应强度下的粘度随剪应变率的变化的曲线.图中表明，粘度值不仅受磁场强度的影响，而且受到剪应变率的影响.随着剪应变率的增加，粘度减小，材料表现出剪切稀化效应.同时，在相同剪应变率下，粘度随磁场强度的增加而增大，但当剪应率达到某一值时，随着磁场强度的增加粘度无明显变化. 在外加磁场作用下，在低应变率时(r400)，粒子重新排列达到一种新的稳定的动态平衡状态，流动阻力几乎没有变化，勃度趋于恒定.此时，磁场强度的变化对勃度几乎没有影响.2. 2介质微粒的磁化率 图4是磁化率不同的两种介质微粒组成的磁流变液，在3 000 Gs磁感应强度下，剪切应力随应变率变化

29、的曲线.图中表明，在相同磁场强度和剪应变率下，微粒的磁化强度越高，磁流变液的磁流变效应越强. 磁流变效应是由于在磁场作用下，固体粒子和基液中产生了强烈的极化效应，特别是发生在固体粒子内部和基液接触表面处的极化，这种极化有极复杂的内容，除了与外加磁场强度有关外，还与磁流变体中固体粒子在外加磁场作用下的磁化性能，亦即粒子的磁导率和磁化率有关. 从微观角度来看，单一的置于真空的磁性固体粒子，在磁场作用下形成偶极子，其偶极矩为: 式中r为固体粒子的直径，X为固体粒子的磁化率，Ho圈4 2种不同磷化率的较子剪切应力随剪切应变率变化的曲线为外加磁场强度; 磁场中的磁性微粒，单位体积的的磁性粒子产生的磁感应

30、偶极矩的大小，即磁化强度为: ，。其中u0为固体粒子的真空磁导率，uP为固体粒子的磁导率，H为固体粒子局部磁场强度，A为磁场强度修正系数.因此，磁化能力越强的固体粒子组成的磁流变液，在相同磁场强度下，其磁流变效应越明显，强度越高.2. 3微粒的大小 图5是磁性微粒大小不同的磁流变液，在3 000 Gs磁感应强度下，剪切应力随剪应变率变化的曲线.从图中可以看出，随着微粒直径的增加，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大.粒子半径r越大，两粒子之间的场致磁力就越大，粒子所成链的强度越大，磁流变效应越强;此外，粒子尺寸越大，所要求产生明显磁流变效应的磁场场强越低，即越容易产生明显的磁流变效

31、应.然而，粒子尺寸过大，布朗运动所起的作用减小，粒子在基液中沉淀的趋势增大，容易导致磁流变体出现相分离，影响磁流变体的工作性能，反过来又会影响流体的磁流变性能，当然，粒子尺寸过小，则布朗运动影响大，粒子不易稳定成链，磁流变效应的强度减弱.因此，粒子尺寸既不能过大，也不能过小，应该根据具体的磁流变液选取最优值.2. 4微粒的体积百分率 图6是微粒百分率不同的磁流变液，在3 000 Gs图5在3kGs下剪切应力随徽粒大小 变化的曲线磁感应强度下，剪切应力随剪应变率变化的曲线.从图中可以看出，随着介质微粒体积百分率的增大，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大.体积百分数越大，形成的磁链也

32、多，同时体系的相对磁导率和磁化率就越大，其磁流变效应就越强.当体积百分率过高时，会有一个结构上的突变，即在零场时，出现固化状态.如果作用一个外加磁场，一般不会出现固体粒子重新成链和成网的现象，只是可以强化已有的结构，因此磁流变效应不是很明显.大量的实验表明，体积百分率的最佳范围大致在is%一30%之间.图6在不同磁盛应强度下剪切应力随介质 体积百分比变化的曲线2.5添加剂 同一种基液中加人体积百分数相同的固体微粒，再加人3种不同的添加剂制成3种磁流变液，图7给出在3 000 Gs时的3种磁流变液的剪切应力随剪应变率变化的曲线.研究表明，加人不同的添加剂，磁流变液的流变性能将会发生很大改变，因此

33、可以利用加人不同的添加剂达到改变磁流变液性能，增强磁流变效应.添加剂是一种表面活性剂，其主要作用是促进粒子分离，增加磁流变液的悬浮性.不同的添加剂，在粒子表面形成的不同的表层，在外加磁场作用下，粒子表面的极化也会不同，因而磁流变效应不同。3结论 采用实验方法研究了影响磁流变效应5种主要因素，得到磁流变效应取决于外加磁场强度、介质微粒的磁化率、直径大小以及体积百分比浓度、添加剂以及配制工艺等主要因素.当外加磁场强度增加，磁流变液的应力响应随之增加;当介质微粒体积百分比增大时应力响应也随之增大;当磁介质的直径增加应力响应也随之增加.这些皆表明，磁流变效应随着外加磁场强度的增加、介质微粒的磁化率、体

34、积百分比以及直径的增加而增强，然而添加剂对磁流变效应的影响是不可忽略的因素.2.5交变磁场下盘型磁流变流体阻尼器的动力特性1实验设备简介 基于剪切原理形成的盘型磁流变流体阻尼器的结构如图1所示.它由一个固定在轴颈上的可动盘、周向线圈,2个磁极和基座等组成.可动盘、2个磁极和基座为导磁材料，其他为非导磁材料.在可动盘与磁极之间形成2个轴向工作间隙，在磁极内径与轴颈之间形成径向工作间隙.在轴颈与基座两端采用了柔性周向密封.磁流变流体充在2个轴向工作间隙以及径向间隙中.为了减小在径向间隙中产生的挤压效应，选择了较大的径向间隙. 4个柔性杆构成了定向弹簧，限制了轴颈和可动盘的旋转运动.虽然可动范围内可

35、以进行涡动.当可动盘随轴颈发生涡动时，盘不能旋转，但在较大的将对轴向间隙中的磁流变流体产生剪切作用，从而产生一个流体阻力.通过线圈电压(或电流)来改变轴向间隙中的磁场强度，进而改变磁流变流体的表观勃度，从而达到改变阻尼器动力特性的目的.试验中阻尼器的基本参数:线圈匝数为1 000，线径为0. 5 m m，电阻为43. 6 欧，阻尼器的轴向间隙为1. 5 mm，阻尼器的径向间隙为4.5 mm磁极的内外径分别为80 mm和124 mm. 实验转子为图2所示的单盘柔性转子，转子的一端支承在刚性较大的滚动轴承上，另一在带定向弹簧的盘型磁流变流体阻尼器上. 端支承转子由个d20 mm X 900 mm的

36、光轴、一个重为3. 5 kg的均质圆盘、柔性连轴节和调速电机等组成.盘位于左右轴承中间，左、右轴承间的跨度为607 mm.两端轴承均为刚性时转子系统的一阶刚支临界转速为2 800 r/min;转子的一端为刚性支承，另一端支承在定心弹簧上的前二阶柔支临界转速分别为2 110, 3 135 r/min，轴与电机之间采用了柔性连轴节，以减小电机的振动对转子系统动力特性的影响.电机是一个带有速度反馈控制的无刷直流电机，最高运行速度为6 000 r/min.用非接触式电涡流传感器测量盘和轴颈位置处水平和垂直方向上的振动. 磁流变流体是由平均直径为5 um的磁性铁粉粒子、基油和少量的稳定剂按照一定的比例组

37、成验中采用的磁流变流体中m(磁性铁粉粒子): m(基油)=1:1, 基油在常温下的运动私度为12X10m/s 试验中采用的直流电源为电流输出型直流电源.交流电源由一个正弦信号发生器和一个电压放大器组成，由信号发生器产生所需频率的正弦电压信号，然后通过调整电压放大器来得到所需的电压. 流电压用电压的峰一峰值来表示. 实验前对转子进行了动平衡，然后附加一定的不平衡质量得到所需的不平衡量，所有试验是在同一个不平衡量下完成的.转子的不平衡响应曲线是按照下列方式得到的，在转子以9(r min)/s的匀加速度缓慢运行的过程中，利用数据采集系统对传感器的信号进行连续采样，并对每个0.2s采样时间范围内转子多

38、周的振幅进行平均，以振幅的平均值作为转速只有微小变化(约2 r/min)的转速区间上的振幅，得到不同转速下振幅变化的曲线，如果转子的运动轨道是重复的，那么转子的平均振幅随转速没有跳跃，不平衡响应曲线是光滑的;如果转子的运动轨道时大时小出现晃动，那么在相邻转速点转子的平均振幅就相差很大，转子的平均振幅随转速就出现突变，不平衡响应曲线上会出现许多毛刺，毛刺的大小就反映了轨道的变化程度.实验结果及分析直流激励条件下转子系统的动力特性首先在直流激励条件下测量了不同稳态转速下转子的轴心运动轨迹以及转子在慢加速运动过程中的不平衡响应曲线.n = 3 3Q0 r/min时转子轴心运动轨迹随线圈电压变化的试验

39、结果如图3所示.图中的箭头表示电压按0,2.5,5,10及20 V的次序增大的方向，结果表明了在转子系统的第二阶柔支临界转速附近，盘及轴颈的振动随电压的增大迅速减小. 图4为不同电压条件下转子在慢加速运动过程中盘的振幅A和轴颈的振幅A;随转速变化的不平衡响应曲线.各种电压下不平衡响应曲线比较光滑，转子的振幅随转速逐渐变化，表明转子的运动是重复的.在无激励时转子基本上处于弹性支承状态，在系统的前二阶柔支临界转速附近转子的振动都较大，出现了两个明显的峰.随着电压的增大，轴颈的振动在所有转速区间内减小，但盘的振动在系统的图3转速3 300 r/min时转子的轴心轨迹随直流电压 的变化图4转子系统的不

40、平衡响应随直流电压的变化前二阶柔支临界转速区明显减小，在系统的一阶刚支临界转速附近稍有增大.在电压增大的过程中，存在着电压的一个最佳取值范围，电压在此范围内，盘及轴颈的振动都较小，转子能够以较小的振动，平稳地通过系统的前二阶柔支临界转速区.当电压超出最佳取值范围后，轴颈的振动继续减小，盘的振动在系统的前二阶柔支临界转速区虽然没有明显的改变，但在接近系统的一阶刚支临界转速区的振动迅速增大，出现明显的共振现象，由响应曲线上最大振幅确定出的峰值临界转速逐渐趋向系统的一阶刚支临界转速.可见盘型磁流变流体阻尼器的动力特性在直流激励条件下是可控的，通过改变盘型磁流变流体阻尼器线圈上的直流电压完全可以达到控

41、制转子系统动力特性的目的.2. 2交流激励条件下转子系统的动力特性 n =1900 r/min, up-p = 60 V时转子的轴心运动轨迹xy及时间历程t-y随交流电压频率变化的试验结果如图5所示。结果表明，当交流电压的频率较低或交流电压很高时，交变磁场的频率与转子的运动频率之间产生相互影响，使转子的运动出现调制现象，转子的振动时大时小.由于作用在阻尼器上的剪切力与磁场的方向无关，转子运动的调制频率为交流磁场频率一半.对于幅值一定的交流电压，当交流电压的频率逐渐增大时，磁流变流体的性能逐渐减弱;当交流电压的频率超过某一临界值之后，磁流变流体阻尼器的特性与无磁场激励时系统的特性图5电压频率对转

42、子运动轨迹及时间历程的影响完全相同，阻尼器的性能不再具有可控性.随着交流电压的增大，能够产生磁流变效应的交流磁场的频率也随之增大. 图6为不同频率下交流电压对转子系统的不平衡响应曲线的影响.结果表明，当交流电压的频率较低时，如图6(a)所示，较低的交流电压不能明显地改变转子系统的动力特性，转子在系统的前两阶柔支临界转速附近的振动都较大，出现明显的两个峰. 随着交流电压的增大，轴颈和盘处的振动在系统的前两阶柔支临界转速区明显减小，但在系统的一阶刚支临界转速附近的振动增大.同样存在着一个能够使转子以较小的振动通过转子系统各阶柔支临界转速的最佳交流电压.如果交流电压超过了这个最佳的交流电压，轴颈和盘

43、的振动在系统的前两阶柔支临界转速区虽然没有明显的改变，但在接近系统的一阶刚支临界转速区的振动迅速增大，出现共振现象，峰值临界转速同样趋向于系统的一阶刚支临界转速.当交流电压的频率较高时，如图6(b所示，即便较高的交流电压也根本不能改变转子系统的动力特性，转子的振动与无磁场激励时的振动基本相同，只有在交流电压很高的情况下，才会对转子的振动产生微小的影响.可见，只有在交流激励频率较低和交流磁场强度较高的情况下盘型磁流变流体阻尼器的动力特才是可控的. 图7为不同电压下交流电压的频率对盘处的不平衡响应曲线的影响.可见，在一定的交流电压条件下，只有较低频率的交流电压对转子系统的动力特性有一定影响.随着交

44、流电压频率的增大，交流磁场对转子系统动力特性的影响迅速减弱.当激励频率大于某一频率后，转子的振动与无磁场激励时的振动完全相同，盘型磁流变流体阻尼顺的动力特性不可控。 虽然盘型磁流变流体阻尼器的动力特性在低频交流激励和高的交流磁场强度条件下是可控的，但是由于调制的出现，转子的运动时大时小，转子运动的范围随转子振幅的增大而增大.当交流电压很大时一，转子运动的范围一般在系统的一阶刚支临界转速附近最大.由于转子的运动时大时小，转子也要发生周期性的变形，对转子的疲劳寿命将会产生不利的影响，因此从转子动力学的角度来讲，采用直流激励的磁流变流体阻尼器的特性优于采用交变激励时的动力特性. 实际上，上述的各种现

45、象容易从磁流变流体的工作机理上加以解释.磁流变流体的表观戮度之所以在磁场下发生变化是由于在磁场作用下磁流变流图6不同电压频率时电压对转子系统不平衡响应的影响体中的磁性粒子发生了定向排列形成链或柱状结构所致.磁流变流体中磁性粒子发生定向排列形成链或柱状结构需要一定的时间，这个时间除了与磁性流体的特性有关之外，还与外磁场的大小有关.磁流变流体中磁性粒子越多或激励磁越强，形成链或图7不同电压时电压的频率对转子系统不平衡响应的影响柱状结构所需的时间就越短.当磁场变化的周期大于链或柱状结构形成所需的时间，磁流变流体流变特性的可控性就会表现出来.当磁场的变化周期小于链或柱状结构形成所需的时间，磁流变流体中

46、就不能形成链或柱状结构，磁流变流体的流变特性的可控性就不会出现，因此高频磁场激励条件下磁流变流体阻尼器的特性与无磁场激励时的特性相同，转子系统的振动也不会发生变化.3结语 本文在盘型磁流变流体阻尼器一转子系统上详细地研究了交流磁场作用下盘型磁流变流体阻尼器一转子系统的动力学特性，结果发现激励磁场频率对系统的特性产生十分显著的影响.对于一定的磁场强度存在着一个能够影响系统特性的最大磁场频率，对于一定的磁场频率存在着一个能够影响系统特性的最低磁场强度.虽然在激励磁场的频率低于最大磁场频率或激励磁场的强度大于最低磁场强度的条件下，交变磁场同样会影响盘型磁流变流体阻尼器的动力特性，但由于出现的调制使转

47、子的振动时大时小，引起转子额外的周期变形，因此从转子动力学的角度来讲，采用直流磁场控制的磁流变流体阻尼的特性优于采用交变磁场控制时的动力特性.2.6磁流变液挤压增强效应的研究1实验设备使用的磁流变液，采用3-5 m平均粒径的羰基铁粉和硅油制成。颗粒的体积百分比为46%。实验设备如图1所示。使用铜制的容器来盛装磁流变液，这样可以让大部分的磁力线从磁流变液中穿过。磁场强度可以通过改变电磁铁中的电流来调节。磁感应强度用特斯拉计来测量，探笔插入样品中，由于颗粒的退磁作用，测量的结果会偏低。但是这不会影响相对值的比较。在磁流变液样品池内两侧测得磁感应强度几乎相同，这说明内部的磁感应强度是均一的。设备基础

48、是软铁制成，所有部件都安装在它上面。容器一端用软铁磁芯和电磁铁封闭，另一端是软铁芯的螺栓封闭，通过旋转螺栓，可以沿磁场方向挤压磁流变液。压力的大小可以使用压力传感器测量。基础、螺栓、磁流变液和电磁铁可以构成一个完整的磁回路。一个金属片（铝制或铁制的）插入磁流变液来测量挤压增强效应，拉出金属片的拉力用力传感器测量。也就是说，拉动金属片10，直到结构破坏，就可以得到磁流变液的临界剪切屈服强度。2.实验结果使用上述设备，测量了磁流变液在不同磁场强度下（0350mT）和不同的挤压应力下（010MPa）的剪切屈服强度。图2给出了用铝片测量的磁流变液在不同场强和挤压力下的屈服强度。测量结果用钻石点标出，数

49、据被拟合成三维曲面。为了更清楚地解释实验结果，提取部分数据建立了如图3的二维曲线。当没有挤压力时，剪切屈服应力几乎随着磁感应强度线性增加。在较低的挤压应力2.0MPa和4.0MPa下，曲线也显出同样的趋势。当挤压应力增加后，剪切屈服强度和场强关系曲线也随之提高。例如，当挤压应力达到6.3MPa时，剪切屈服强度在低场强下稳定地增加，在某一确定的场强下，突然快速增加。而挤压应力再增加时，如9.9MPa，剪切屈服强度的增加变得稳定下来。这种现象是由挤压增强效应引起的。低挤压应力情况下（包括不挤压），颗粒未饱和时，抗剪力随磁场线性增长。当挤压载荷增加后，颗粒间距变得很小，偶极子的相互作用增强了，而建立

50、的链状结构更难被破坏，所以表现为抗剪能力增强。挤压力越大，挤压增强效应越明显。如图所示，在高挤压载荷下，饱和现象更容易被观察到。而图4和图5是用铁片取代铝片测得的结果。除了相同的增加趋势以外，使用铁片的剪切强度大于使用铝片的结果。图6给出了铁片和铝片的比较结果。它们都是在275mT磁感应强度下测得的结果。在相同的压力下，铁片比铝片测得的结果要大很多。这种差别是壁面效应造成的。这同时造成了不同的破坏模式。使用铝片时，结构破坏发生在铝片和磁流变液的交界处。而使用铁片时破坏发生在磁流变液内部。这种现象表明铁片和磁流变液的结合强度大于磁流变液的剪切屈服强度。而铝片和磁流变液的结合强度低于磁流变液的剪切

51、屈服强度。根据壁面效应的分析6 ，颗粒和壁面的作用可以近似看成偶极矩m和它在壁面内的镜像mim的作用，而mim可表示为：式中w是壁面材料的相对磁导率，而e是悬浮液的相对磁导率。使用铁片时，其相对磁导率远大于1，磁偶极子和它感应出的镜像间会有很大的吸引力。而铝片的相对磁导率和油液很接近，根据公式(1)，颗粒和壁面间无附加吸引力。甚至当铁和铝片的表面粗糙度相同时，颗粒被挤压后会嵌入前者的粗糙表面，而会滚过后者表面。因此，如果磁流变液被用于柔性夹持时，铁磁性材料将会更容易被固定住。用铝片测得的应力仅仅是铝片和磁流变液间的结合力。唐新鲁使用铝片测得的结构强度可达800kPa，10倍于不挤压时的磁流变液