磁流变液流变学特性测试系统仿真研究
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磁流变液的研究与应用摘要:磁流变液是在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料,呈现可控的屈服强度,且变化是可逆的。
本文阐述了磁流变液的流变机理,介绍了磁流变液的类型和组成成分,以及磁流变液的类型对磁流变效应的影响和磁流变液的各项性能指标对磁流变效应的影响因素。
最后给出了磁流变效应的应用领域。
关键词:磁流变液流变机理磁流变效应1、前言磁流变液(Magnetorheological Fluid,简称MRF)是在外加磁场作用下其黏性、塑性等流体特性发生急剧变化的材料。
其在外磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化是可逆的。
磁场对磁流变液的黏度、塑性和黏弹性等特性的影响称为磁流变效应。
80年代中后期,MRF的研究克服了悬浮稳定性差、应用装置磁路设计复杂的缺点,取得了惊人的进展,不仅研制成功了剪切屈服强度可达100、性能稳定的MRF,而且相关的应用也扩展到了阀门、密封、自动化仪器、传感器、研磨(抛光)以及车辆、机械和设备减振等领域。
2、磁流变液的流变机理到目前为止,磁流变效应产生的机理还没有完全明确,但是从显微镜的观察下可以明显的看到(图1),在零磁场下,磁流变液的颗粒分布是杂乱的,而在磁场作用下,却是有规则的,且沿磁场方向链束状排列,其原理示意图如图2所示。
这样就限制了液体的流动,由原来的流体向半固体发展,剪切屈服强度也随之产生。
(a)零磁场下随机分布(b)强磁场下成链状图1 显微镜下MRF颗粒的分布变化(a)零磁场下随机分布(b)强磁场下成链状图2 MRF的原理示意图颗粒成链束的原因,也存在许多的假设,其中具有代表性的有相对成核理论和场致偶极矩理论。
相对成核理论认为零磁场时,弥散在基液中固体颗粒成随机状态,其迁徙为自由运动。
当场强增加时,颗粒磁化,颗粒互相靠拢成有序排列。
随着场强增加,这些有序排列联成长链,且以长链为核心,吸收短链,使链变粗,构成固态相。
A c a d e m i c F o r u m /学术论坛87传统的磁流变液通常是将微米级别的磁性粒子(羰基铁粉,粉铁,铁的氧化物,铁/钴合金等具有高的磁饱和强度的磁性颗粒)分散到与之匹配的载液(矿物油,合成油,硅油,水,乙二醇)当中。
载液充当分散介质确保流体中颗粒的均匀性。
通常来说,可磁化粒子的直径通常在3~5μm。
无磁场作用时,可磁化粒子均匀无规则的分散到载液当中。
有磁场作用时,由于磁性粒子之间相互作用产生的感应偶极子导致粒子之间逐渐形成链状结,并平行于磁场作用的方向,磁流变效应的产生就是因为这些链状结构阻碍了液体的流动从而产生。
下图1的模型则充分了演示了这一现象的产生。
图1 有/无磁场作用下MR 流体的微观结构从本质上讲,磁流变液的行为在有磁场的作用下将从液态转变为固态凝胶状,其流体的转变速度非常快,大约在几到几到几十毫秒之间。
所以磁流变液在各种阻尼元件中应用范围很广。
通过改善磁场强度来改变磁流变液的屈服强度可以快速改变阻尼原件的结构和刚度系数。
磁流变液快速而有效可控的系数转化使得传统的阻尼元件智能化,成为了新型的智能元件。
1 实验过程铁磁颗粒首选羰基铁粉(德国巴斯夫;平均粒径6~8μm;振实密度4.3 g/cm 3),其作为软磁材料的同时其具有很高的饱和磁化程度,被用来广泛选择当作MR 流体当中的可磁化粒子,其质量分数在悬浮液当中所占的比例通常在20%~40%。
载液的选取同样应该谨慎考虑。
一方面,其不应与任何可磁化粒子和应用元件发生任何副反应。
另一方面,载液的密度应与羰基铁粉的密度差尽量小,可以有效地提高磁流变液的分散性。
最后,还应充分考虑载液沸腾温度,高温下的蒸汽压和凝固点,这会在一定程度下影响到磁流变液的工作温度区间。
所以综合考虑,选择OKS 硅油(德国科德宝集团)作为此次磁流变液制备的载液。
另外,还制备了稻壳基纳米级二氧化硅作为触变剂加入其中用来降低沉淀率,具体含量如下表1所示。
Internal Combustion Engine&Parts0引言磁流变液是理想的可控阻尼层材料。
将磁流变液引入夹层板结构,利用磁流变液的声阻抗和阻尼可控特性,可以对夹层板结构的声学性能实现主、被动混合控制,从而提高噪声控制的可靠性,改善夹层板结构的低频隔声降噪能力,拓宽其隔声降噪频带,并减少控制系统的能量消耗。
磁流变液在磁场作用下其微观结构和宏观力学行为会发生显著变化,表现出类固体的特性,并且这种结构和行为的变化是可逆的,具有毫秒级的瞬时响应特性。
本文利用COMSOL软件研究了磁流变液夹层板周围的磁场分布。
1COMSOL MULTIPHYSICS简介COMSOL Multiphysics是一种功能强大的多物理场仿真软件,用于仿真模拟工程、制造和科研等各个领域的设计与制造。
COMSOL通过定义和耦合任意数量偏微分方程的能力使之成为一个强大的分析工具。
COMSOL中“AC/ DC模块”附带了一组物理场接口,可用于为众多应用领域的仿真建立分析模型,例如静电场、电流、静磁场以及包含感应作用的时变电磁场[1-3]。
2磁流变液夹层板电磁场仿真分析打开COMSOL软件新建模型向导,选择三维空间维度。
选择“AC/DC模块”下的“磁场(mf)”物理场并添加“瞬态”和“线圈几何分析”研究进行磁流变液夹层板的磁场仿真分析。
2.1磁流变液夹层板建模首先在COMSOL几何菜单栏中进行磁流变液夹层板的建模。
如图1所示:构建一半径10mm,高15mm的圆柱形铁芯;在铁芯上缠绕多匝线圈,组成一半径为20mm的电磁铁,电磁铁周边环绕有设置在底板内的限定电磁铁位置的铝垫片,其厚度为2mm;将半径20mm,高10mm的磁流变液罐放置在电磁铁上;在磁流变液罐上加装一外径为50mm,内径为40mm的引导磁体。
如图2所示:构建面板、夹层板和底板,其大小为100mm×100mm,厚度分别为2mm,10mm,20mm。
基于 FLUENT 的磁流变液的流动行为仿真白玉;范远华【摘要】The flow behavior of magnetorheological (MR) fluid under different conditions was investigated. Simplified 2D model from top-down view of MR fluid was established, at the same time, the model was divided into structured mesh with Gambit. Flow behavior simulation of basic oil among MR fluid under different conditions of barriers size &entrance velocity was carried out by FLUENT, the flow rate change clouds under different conditions were obtained. The analysis result indicates that this method has good simulation results to real flow behavior of MR fluid, also offers a good account of flow behavior under different conditions of shear rate & molecule chain.%对磁流变液在不同条件下的流动行为进行分析,利用Gambit 建立了磁流变液的俯视二维简化模型并对其进行了网格划分。
应用FLUENT 对不同入口速度和障碍物大小条件下磁流变液中基础油的流动行为进行了仿真模拟,得出不同障碍大小和入口速度下的速率变化云图,分析表明仿真效果能较好的模拟磁流变液的真实流动状态,能较好的解释磁流变液在不同剪切速率和链聚集程度下的流动行为。
基于FLUENT的磁流变液的流动行为仿真作者:白玉范远华来源:《当代化工》2015年第07期摘要:对磁流变液在不同条件下的流动行为进行分析,利用Gambit建立了磁流变液的俯视二维简化模型并对其进行了网格划分。
应用FLUENT对不同入口速度和障碍物大小条件下磁流变液中基础油的流动行为进行了仿真模拟,得出不同障碍大小和入口速度下的速率变化云图,分析表明仿真效果能较好的模拟磁流变液的真实流动状态,能较好的解释磁流变液在不同剪切速率和链聚集程度下的流动行为。
关键词:FLUENT;磁流变液;流动行为中图分类号:TH 117.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-0460(2015)07-1651-03Flow Behavior Simulation of Magnetorheological Fluid Based on FLUENTBAI Yu1,FAN Yuan-hua2(1. National Engineering Research Center for Disaster and Emergency Rescue Equipment of Logistical Engineering University, Chongqing 401331,China;2. PLA Military Agent’s Room of Air Force in North China, Beijing 100086,China)Abstract: The flow behavior of magnetorheological (MR) fluid under different conditions was investigated. Simplified 2D model from top-down view of MR fluid was established, at the same time, the model was divided into structured mesh with Gambit. Flow behavior simulation of basic oil among MR fluid under different conditions of barriers size & entrance velocity was carried out by FLUENT, the flow rate change clouds under different conditions were obtained. The analysis result indicates that this method has good simulation results to real flow behavior of MR fluid, also offers a good account of flow behavior under different conditions of shear rate & molecule chain.Key words: FLUENT; Magnetorheological fluid; Flow behavior磁流变液是由磁性颗粒、基础油和添加剂组成的一种新型的智能材料,因其具有优异的流变特性而广泛运用于阻尼器振动控制、确定性抛光、机械密封、动力传递、液压系统等领域之中,关于其性能、机理和应用的研究已经迅速成为受到广泛关注的热点[1-3]。
磁流变液制动特性测量实验装置研制李津宁;陈文娟【摘要】为研究磁流变液的制动特性设计了一种测量实验装置,该装置可通过控制外加磁场的大小来改变磁流变液的黏滞程度,从而控制制动过程.利用单片机采集制动过程中转速、制动时间以及线圈中励磁电流等参量,使用VB上位机对采集的数据进行处理并绘制出不同情况下的制动特性曲线.通过对各制动参量的理论分析与实验测量以探究磁流变液的制动特性.%In order to study the braking characteristics of magnetorheological fluid,a measuring device is designed,which can control the braking process by changing the viscosity of the magnetorheological fluid through controlling the magnitude of the external magnetic field.SCM is used to collect the parameters about the speed,the braking time and the exciting current in the coil,and the collected data is processed and the braking characteristic curve under different conditions is drawn by the VB host computer.Through the theoretical analysis and experimental measurement of the braking parameters,the braking characteristics of the magnetorheological fluid are explored.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2017(034)007【总页数】4页(P72-75)【关键词】磁流变液;制动特性;VB上位机【作者】李津宁;陈文娟【作者单位】中国石油大学(华东) 理学院, 山东青岛 266580;中国石油大学(华东) 理学院, 山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】TB34磁流变液是1948年美国人Rabinow发现的一种黏度可控的流体,在没有外加磁场时它表现为流动性良好的牛顿流体,当外加磁场足够大时,其流动性完全消失并表现出类似固体的力学性质[1-3]。
2018年5月第46卷第9期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSMay2018Vol 46No 9DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2018 09 033收稿日期:2016-12-29基金项目:吉林省教育厅 十二五 科学技术研究资助项目(吉教科合[2014]第320号)作者简介:闫占辉(1968 ),男,博士,教授㊂主要研究精密加工工艺及设备㊂E-mail:yan⁃zhanhui@sohu com㊂磁流变液减振器阻尼特性的仿真分析闫占辉,关铁鹰(长春工程学院机电学院,吉林长春130012)摘要:介绍了一种新型磁流变液减振器的工作原理及结构,结合伪静力模型和Bouc-Wen模型,建立了磁流变液减振器阻尼力特性方程,通过Matlab/Simulink仿真分析了磁流变液减振器阻尼力-位移㊁阻尼力-速度变化规律,验证了所建立磁流变液减振器阻尼力数学模型的正确性,为磁流变液减振器的深入研究提供了理论依据㊂关键词:磁流变液;减振器;阻尼力;仿真中图分类号:U461 1㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-3881(2018)09-148-3CharacteristicSimulationAnalysisofMRFDamperYANZhanhui,GUANTieying(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,ChangchunJilin130012,China)Abstract:ThestructureandworkingprincipleofanewtypeMagnetorheologicalFluid(MRF)damperisintroduced.Thedamp⁃ingforcecharacteristicequationswereestablishedincombinationwithpseudostaticmodelandBouc-Wenmodel.ThelawofchangingofMRFdamper sresistance⁃displacementandresistance⁃speedweresimulatedandanalyzedbyMatlab/Simulinksoftware.Thecorrect⁃nessofthemathematicalmodelisverified,whichprovidesatheoreticalbasisforthefurtherresearchofMRFdamper.Keywords:MRF;Damper;Dampingforce;Simulation0㊀前言磁流变液减振器是一种很有前景的振动自动控制装置,在对磁流变液减振器进行半主动控制时,精确的力学模型是获得良好控制效果的前提㊂磁流变液减振器的力学性能受到外加磁场㊁振动幅值和振动频率等的影响,其动态阻尼力呈现强非线性;磁流变液的动态本构关系比较复杂,使得建立准确的恢复力模型比较困难,目前建立了伪静力模型和参数化动力模型等分析方法,伪静力模型引入以下假设:磁流变液减振器活塞杆相对工作缸匀速运动,磁流变液流体稳定流动㊁用Herschel-Bulkley模型描述[1]㊂该模型的优点在于考虑了磁流体的剪切稀化/稠化效应,但不能很好地描述非线性减振器力-速度的关系;参数化动力模型将减振器阻尼力看作黏滞力和Bouc-Wen滞变阻尼力之和,表现出在低应变下的黏滞力和高应变库仑特性下的复杂非线性,该模型形式简单,物理概念清楚,数值准确[2-4]㊂为解决磁流变液体剪切稀化/稠化效应及非线性磁滞特性问题,本文作者结合伪静力模型和Bouc-Wen模型的各自优势,利用自主开发的磁流变液减振器,建立了修正的Bouc-Wen模型阻尼力特性方程,通过实例优化了阻尼力特性方程系数的大小,利用Matlab/Simulink模块进行了仿真分析㊂1㊀磁流变液减振器的阻尼力数学模型图1为自主设计的磁流变液减振器[6]㊂图1㊀磁流变液减振器装配图㊀㊀图2为图1中间位置局部放大图,3为活塞㊁4为活塞杆㊁5为工作缸,其结构与液压缸有相似之处,不同在于活塞与缸筒之间留有环形间隙,作为磁流变液的工作间隙㊂图2㊀磁流变液减振器局部放大图基于磁流变液体剪切稀化/稠化效应及非线性磁滞特性,利用图1所示自主设计的磁流变液减振器,图3㊀修正的Bouc-Wen模型根据伪静力模型和Bouc-Wen模型,依据图2单出杆磁流变液减振器的结构特点,建立图3所示修正的Bouc-Wen计算模型㊂其中阻尼力F的方程为:F=c1y㊃+k1(x-x0)(1)z㊃=-γx㊃-y㊃zzn-1-β(̇x-̇y)zn+A(x㊃-y㊃)(2)y㊃=1(c0+c1)[αz+c0x㊃+k0(x-y)](3)其中:α=α(u)=αa+αbu;c0=c0(u)=c0a+c0bu;c1=c1(u)=c1a+c1bu;u㊃=η(u-v)㊂式中:k1为磁流变液减振器低速运动的刚度;c1为磁流变液减振器低速运动的阻尼系数,用于产生力-速度关系中低速时的非线性衰减;c0为磁流变液减振器高速运动的阻尼系数,k0为磁流变液减振器高速运动的刚度;x0为磁流变液减振器低速运动时的初始位移,x㊁y分别为磁流变液减振器任意时刻的位移量;u为一阶滤波器的输出(一阶滤波电压),v为输入到磁流变液减振器励磁线圈的电压,t=0时,u(0)=0,v(0)=0㊂αa㊁αb㊁c0a㊁c0b㊁c1a㊁c1b㊁η为常系数,该模型共有14个参数,可通过实验数据进行参数辨识获得㊂2 磁流变液减振器的阻尼特性仿真根据磁流变液减振器振动实验测试得到的10组(F-x)㊁(F-x㊃)数据,利用最小二乘法确定了图3所示修正的Bouc-Wen模型[2]有关参数,其具体值如下:αa=133N/cm,αb=660N/cm㊃V,c0a=20N㊃s/cm,c0b=3 3N㊃s/cm㊃V,n=2,A=286,γ=345cm-2,β=345cm-2,η=180s-1,k0=44 6N/cm,k1=4 75N/cm,c1a=269N㊃s/cm㊃V,c1b=2 8N㊃s/cm㊃V,x0=13 6cm,v=0 5V利用公式(1)㊁(2)和(3),通过Matlab/Sim⁃ulink仿真分析,其仿真流程图如图4所示㊂得到的仿真结果如图5 8所示㊂图4㊀修正的Bouc-Wen仿真模型流程图㊃941㊃第9期闫占辉等:磁流变液减振器阻尼特性的仿真分析㊀㊀㊀㊀㊀由图5可知,输入电压一定时,不同输入频率对磁流变液减振器阻尼力的影响较大;由图6可知,输入电压一定时,不同输入频率对磁流变液减振器阻尼力的影响较小,磁流变液减振器阻尼力随着其速度的增大分段线性增长;由图7可知,输入频率一定时,不同输入电压对磁流变液减振器阻尼力的影响较大;由图8可知,输入频率一定时,不同输入电压对磁流变液减振器阻尼力的影响较大,磁流变液减振器阻尼力随着输入电压的增大分段线性增长㊂说明修正的Bouc-Wen模型可以反映磁流变液减振器位移-阻尼力和速度-阻尼力特性㊂图5㊀输入电压1V,不同输入频率时磁流变液减振器阻尼力与位移的关系图6㊀输入电压1V,不同输入频率时磁流变液减振器阻尼力与速度的关系图7㊀输入频率2 5Hz,不同输入电压时磁流变液减振器阻尼力与位移的关系图8㊀输入频率2 5Hz,不同输入电压时磁流变液减振器阻尼力与速度的关系3 结论根据自主设计的磁流变液减振器相关数据,建立了磁流变液减振器修正的Bouc-Wen模型,通过Mat⁃lab/Simulink模拟仿真,得出自主设计磁流变液减振器的位移-阻尼力和速度-阻尼力特性曲线,并进行了在不同输入电压和不同输入频率下的相关分析㊂仿真结果表明,采用修正的Bouc-Wen模型作为磁流变液减振器阻尼力模型,能更为准确地反映磁流变液减振器位移-阻尼力和速度-阻尼力特性,为磁流变液减振器阻尼力的自适应控制和其工程应用奠定了基础㊂(下转第163页)㊃051㊃机床与液压第46卷参考文献:[1]张建勋,彭祖胜,李金刚.模糊数学在机械设备故障诊断中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2006,23(5):48-49.ZHANGJX,PENGZS,LIJG.ApplicationsofFuzzyMathematicsinMechanicalFaultDiagnosis[J].RoadMa⁃chinery&ConstructionMechanization,2006,23(5):48-49.[2]郭金玉,张忠彬,孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报,2008,18(5):148-153.GUOJY,ZHANGZB,SUNQY.StudyandApplicationsofAnalyticHierarchyProcess[J].ChinaSafetyScienceJournal,2008,18(5):148-153.[3]张吉军.模糊层次分析法(FAHP)[J].模糊系统与数学,2000,14(2):80-88.ZHANGJJ.FuzzyAnalyticalHierarchyProcess[J].FuzzySystemsandMathematics,2000,14(2):80-88.[4]王化吉,宗长富,管欣,等.基于模糊层次分析法的汽车操纵稳定性主观评价指标权重确定方法[J].机械工程学报,2011,47(24):83-89.WANGHJ,ZONGCF,GUANX,etal.MethodofDetermi⁃ningWeightsofSubjectiveEvaluationIndexesforCarHan⁃dlingandStabilityBasedonFuzzyAnalyticHierarchyProcess[J].JournalofMechanicalEngineering,2011,47(24):83-89.[5]宾光富,李学军,李萍.一种构建机械设备健康状态评价指标体系的方法研究[J].机床与液压,2007,35(12):177-179,182.BINGF,LIXJ,LIP.ANewMethodtoEstablishIndexSystemofMechanicalEquipmentHealthyStateEvaluation[J].MachineTool&Hydraulics,2007,35(12):177-179,182.[6]胡静波,庆光蔚,王会方,等.基于模糊层次综合分析法的桥门式起重机分级评价[J].中国安全生产科学技术,2014,10(1):187-192.HUJB,QINGGW,WANGHF,etal.ClassificationEval⁃uationofBridgeandGantryCranesBasedonFuzzyAnalyt⁃icHierarchyProcess[J].JournalofSafetyScienceandTechnology,2014,10(1):187-192.[7]宾光富,李学军,DHILLONBalbir-S,等.基于模糊层次分析法的设备状态系统量化评价新方法[J].系统工程理论与实践,2010,30(4):744-750.BINGF,LIXJ,DHILLONBalbir-S,etal.QuantitativeSystemEvaluationMethodforEquipmentStateUsingFuzzyandAnalyticHierarchyProcess[J].SystemsEngineering-Theory&Practice,2010,30(4):744-750.[8]徐格宁,左荣荣,杨恒,等.基于模糊层次分析的门座起重机回转机构状态综合评价[J].安全与环境学报,2012,12(1):234-237.XUGN,ZUORR,YANGH,etal.OntheStateCompre⁃hensiveAssessmentforSlewingMechanismofPortalSle⁃wingCraneBasedonFuzzyAHP[J].JournalofSafetyandEnvironment,2012,12(1):234-237.[9]马怀祥,王霁红,门汝斌,等.基于虚拟仪器的盾构机振动检测系统[J].筑路机械与施工机械化,2010,27(8):69-72.MAHX,WANGJH,MENRB,etal.VibratoryDetectingSystemofShieldTunnelingMachineBasedonVirtualIn⁃strument[J].RoadMachinery&ConstructionMechaniza⁃tion,2010,27(8):69-72.[10]巩在武,刘思峰.模糊判断矩阵的特征向量排序方法[J].运筹与管理,2006,15(4):27-32.GONGZW,LIUSF.EigenvectorMethodsforPrioritiesofFuzzyJudgmentMatrix[J].OperationsResearchandManagementScience,2006,15(4):27-32.(责任编辑:卢文辉)(上接第150页)参考文献:[1]周云著.磁流变阻尼控制理论与技术[M].北京:科学出版社,2007:71.[2]SPENCERBF,DYKESJ,SAINMK.PhenomenologicalModelforMagnetorheologicalDampers[J].JournalofEngi⁃neeringMechanicals,1997(3):230-238.[3]何亚东,黄金枝,何玉敖.智能磁流变(MR)阻尼器半主动控制的研究[J].振动工程学报,2003,16(2):198-202.HEYD,HUANGJZ,HEYA.StudyonStructuralIntelli⁃gentSemi⁃activeControlBasedonMRDamper[J].JournalofVibrationEngineering,2003,16(2):198-202.[4]DYKESJ,SPENCERBF,SAINMK,etal.ModelingandControlofMagnetorheologicalDampersforSeismicRe⁃sponseReduction[J].SmartMaterStruct,1996,5(5):565-575.[5]闫占辉,关铁鹰,李力强,等.一种新型磁流变液减震器:中国,201020283585.X[P].2011-01-26.[6]SPENCERBF,DYKESJ,SAINMK.PhenomenologicalModelofaMagnetorheologicalDamper[J].JournalofEn⁃gineeringMechanics,1997,123(3):230-238.[7]闫占辉,李晓冬,贺会超.一种新型汽车磁流变液减振器的设计[J].机床与液压,2014(17):119-122.YANZH,LIXD,HEHC.DesignforaNewTypeAuto⁃mobileMRFAbsorber[J].MachineTool&Hydraulics,2014(17):119-122.(责任编辑:卢文辉)㊃361㊃第9期马怀祥等:基于模糊层次综合评价法的桥门式起重机起升机构健康评价㊀㊀㊀。