形状记忆合金驱动的磁流变液传动及应用研究

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形状记忆合金和磁流变液作为新型智能材料,其力学性能可由外部激励源(如热场或磁场等)进行连续控制。因其独特的力学性能及其广阔的应用前景,引起了国内外学者对形状记忆合金和磁流变液材料及其应用器件研究的高度重视。本文基于形状记忆合金的形状记忆效应和磁流变液的流变特性,结合机械设计方法,提出了形状记忆合金驱动的磁流变液传动方法,进行相关传动机理、传动器件结构、设计理论以及相关试验测试方法的研究,为开发结构简单、运行可靠、易于自动控制、响应速度快、环保、节能、安全、使用寿命长的新型智能传动装置打下基础,以期推动形状记忆合金和磁流变液在传动工程领域的开发研究。   论文的主要研究工作如下:   1)分析了磁流变液在外加磁场作用下产生磁流变效应的机理,基于偶极子模型,分别建立了磁流变液在剪切和挤压作用下的屈服应力方程。   2)对形状记忆合金弹簧的力学性能进行了分析,建立了形状记忆合金弹簧感温与驱动特性实验测试方法,分别对形状记忆合金弹簧在温度作用下的输出力和输出行程进行了实验分析。   3)基于流体运动微分方程和磁流变液本构方程,结合形状记忆合金驱动的磁流变液传动工作原理,研究了磁流变液的剪切传动、压力驱动传动、挤压传动,建立了流动和传力方程。   4)分析了形状记忆合金驱动器的原理和设计方法,建立了偏动式形状记忆合金驱动器驱动力大小及输出行程与温度、应力应变、材料参数及尺寸参数等的关系。   5)分别对形状记忆合金驱动的圆筒式和圆盘式磁流变液传动进行了设计,得出了圆筒式和圆盘式形状记忆合金驱动的磁流变液传动的几何尺寸设计计算公式,确定了基本结构参数,并以此为基础分析了传动性能。   6)分析了圆盘式和圆筒式磁流变液传动性能测试方法,分别进行了圆盘式和圆筒式磁流变液传动特性实验,并将理论分析结果与实验结果进行了对比分析。   本文的创新之处在于:   1)提出了一种热效应下形状记忆合金驱动的磁流变液传动方法,利用形状记忆合金的形状记忆效应和磁流变液的流变特性实现了温度对磁流变液传动性能的控制。   2)基于偶极子理论,引入Hertz接触应力,研究了高浓度磁流变液在平行于磁场方向受压时屈服应力分析模型,建立了摩擦学修正磁偶极子模型。   3)基于形状记忆合金弹簧的热效应特性,建立了偏动式形状记忆合金驱动器输出行程与温度、形状记忆合金材料参数、应变及几何参数的关系。
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