磁流变液壁面滑移特性研究

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磁流变液(Magnetorheological Fluid,简称MRF)是由悬浮在油、水、乙二醇等载液中的微小磁性颗粒组成的一种新型智能液。由于其独特的磁流变特性和材料构成特异性,使其具有众多的力、电和磁学特性,其中力学特性是磁流变液被广泛应用的关键特性。磁流变液的壁面滑移特性指的是磁流变液中磁性颗粒与传动表面间存在相对滑动,导致其力学特性应用受到影响的一种现象。磁流变液的壁面滑移特性限制了磁流变装置的应用范围。针对上述问题,本文对磁流变液壁面滑移特性的影响因素展开研究,旨在提出可以有效减弱壁面滑移特性的传动方案。本文首先重点研究了磁流变液产生壁面滑移特性的机理,分析得出磁流变液的剪切屈服应力是判断壁面滑移特性发生的重要指标。通过分析比较偶极子模型以及有限元模型的优缺点,在偶极子模型的基础上,对磁流变液剪切屈服应力进行计算模型推导,基于剪切屈服应力计算模型提出了磁流变液的壁面滑移特性判断模型并进行验证。其次,根据磁流变液壁面滑移判断模型,分析得出壁面滑移特性的影响因素主要分为磁流变液自身参数属性和传动表面形貌两个方面。研究了磁流变液粘度、质量分数以及表面粗糙度对壁面滑移特性的影响规律。设计了一种用于剪切屈服应力测试的剪切块模型,利用COMSOL软件重点对剪切块表面在不同形貌特征下的磁场分布进行了仿真分析,研究了其对壁面滑移特性的影响规律。再次,搭建了研究磁流变液壁面滑移特性的实验台架,主要是基于提拉法设计了由电机驱动的磁流变液剪切屈服应力测试装置,包括磁场发生装置、剪切块、剪切装置和测力装置,同时根据实验要求选用了粘度测量装置、粗糙度测量装置。最后,配置了三种不同质量分数的磁流变液,利用搭建好的实验台架进行实验验证与分析。测试了磁流变液在不同剪切速率、不同表面粗糙度下的粘度变化情况;测试了不同质量分数的磁流变液在不同粗糙度表面下其剪切屈服应力随磁场的变化情况;重点测试了磁流变液在剪切块表面具有不同开槽形状、不同开槽方向、不同开槽密度、不同开槽深度、不同开槽宽度下,其剪切屈服应力随磁场的变化情况。基于以上实验结果分析,提出了可以有效减弱磁流变液壁面滑移特性的传动方案。
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