磁流变脂磁场致剪切与拉伸流变机理研究

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磁流变脂是由磁性颗粒悬浮于润滑脂介质中而形成的一种磁流变智能材料,由于其优异的抗沉降性、良好的密封性与润滑性、长期的存储稳定性、较高的磁响应能力等特点,在磁流变减震、能量耗散、扭矩无极传递以及长期静置环境、减少密封元件使用、简化密封结构设计的技术需求中均表现出非凡的应用潜力。然而,磁流变脂材料发展较晚,包含剪切与拉伸在内相关的磁流变机理研究尚处于初步阶段,存在多种影响因素耦合与剪切流变行为之间的作用机理探究还不明了、拉伸流变过程中的力学本构关系表征与微观结构演化机理研究尚未开展的问题,很大程度上制约了磁流变脂的应用与发展。针对这些包含剪切与拉伸在内的磁流变脂磁流变机理研究不足的问题,论文的主要研究内容如下:(1)多因素耦合与剪切稀化及屈服过程中的磁流变脂剪切流变行为之间的作用关系探究。采用田口实验方法中的L9正交组合试验方案,以磁性颗粒含量、硅油粘度、磁性颗粒粒径作为输入参数,剪切稀化衰减度与剪切屈服应力作为响应参数来分别量化剪切稀化与剪切屈服,通过输入参数的方差分析,进行了磁性颗粒含量、硅油粘度、磁性颗粒粒径对磁流变脂剪切稀化、剪切屈服的显著性影响评估、影响趋势分析、百分比贡献率对比。显著性影响评估与影响趋势分析结果表明,磁性颗粒含量、硅油粘度与磁流变脂的磁场致剪切稀化、剪切屈服行为之间存在正相关性,而磁性颗粒含量几乎不影响磁场致剪切稀化与剪切屈服行为。百分比贡献率对比分析发现,在磁流变脂剪切稀化过程中,随着磁场增强,磁性颗粒含量和硅油粘度对剪切稀化的贡献率通过临界磁场划分为三种不同特征区域,磁性颗粒含量贡献率呈现出快速减小-缓慢增大-快速增大,硅油粘度贡献率表现出快速增大-趋近于不变-快速减小;而在磁流变脂剪切屈服状态中,随着磁场增大,磁性颗粒含量对剪切屈服的贡献率持续增大,硅油粘度对剪切屈服的贡献率持续减小,这些剪切流变行为的差异化产生与不同剪切状态下的磁性结构、润滑脂介质结构演化密切相关。(2)磁流变脂的法向拉伸力学本构关系及其流变机理研究。基于粘性流体径向压力梯度与切向应力梯度之间的控制方程,并联合磁场致双粘度模型,且考虑磁场衰减影响作用,建立了磁流变脂的宏观拉伸流变力学模型。该模型确认了法向拉力与剪切屈服应力之间的关联性,并准确描述了磁流变脂拉伸失效阶段的复杂非线性力学行为。此外,搭建了磁流变拉力测试系统,通过拉伸实验与理论模型相结合,分析了不同接触介面材料、不同磁流变脂初始厚度、不同拉伸速度情况下磁流变脂的磁场致拉伸流变作用机理,发现低碳钢棒牵引的磁流变拉伸屈服强度远高于铝棒牵引的拉伸屈服强度,更大初始厚度的磁流变脂产生了更低的拉伸屈服强度,更大的拉伸速度诱导了更高的拉伸屈服强度。(3)拉伸过程中磁流变脂内微观磁性结构系统法向磁作用机理研究。根据磁偶极子理论,考虑磁性颗粒间附加磁场作用,构建了拉伸过程中的微观磁性结构内的强偶极子法向磁力模型,并基于该模型,探究了拉伸过程中的微观磁性结构内的磁性颗粒粒径、相邻磁性颗粒中心距-磁性颗粒半径的比值、本条磁性链中颗粒数量与磁性颗粒受到的法向磁力之间的作用机理,对比分析了本条磁性链中各颗粒受到的法向磁力以及确认了链中所受法向磁力最弱的颗粒位置。(4)磁流变脂的微观结构参数与宏观拉伸流变力学行为之间的本构关系探究。基于强偶极子法向磁力模型,考虑并分析上下接触介面影响作用、产生拉伸屈服的磁性链断裂位置、多重偶极子作用、润滑脂介质粘性作用、磁性结构的磁化情况对拉伸屈服强度的影响,建立了磁流变脂的微–宏观拉伸屈服强度模型,描述了微观结构参数与宏观拉伸屈服强度之间的本构关系。根据该微–宏观拉伸屈服强度模型,引入拉伸过程中磁场强度与磁流变脂厚度之间的指数衰减关系以及微观结构演化的影响,构建了拉伸失效阶段的磁流变脂微–宏观拉伸流变力学本构模型,该模型能够有效描述拉伸失效阶段的磁流变脂非线性拉伸流变力学行为。论文中的磁流变脂剪切与拉伸流变机理研究将为磁流变脂材料参数与磁流变性能之间的作用关系调控、流变性能的改善、应用领域推广、器件设计开发提供了有利的理论支撑与实际参考价值。
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