磁流变液剪切应力实验与分析范文

《磁性材料及器件杂志》2016年第二期

摘要：

为探究磁流变器件失效机理，用两块C型电磁铁耦合建立非均匀磁场。基于提拉法原理设计磁流变液剪切应力测量装置，得到非均匀磁场中剪切应力曲线。对比基于静态匀强磁场的圆筒剪切模型剪切应力理论曲线，发现虽然两者整体趋势一致，但同等磁场强度下两者剪切应力值存在不同程度差异，同时发现电磁铁气隙磁场也存在非均匀性。上述结论说明静态匀强磁场磁流变液剪切特性理论并不能直接应用到非均匀磁场剪切应力计算中，可能的原因包括铁磁颗粒体积分数的分布不均等，需要后续探索。

关键词：

磁流变液;非均匀磁场;剪切应力

1引言

磁流变液常态为悬浮状牛顿流体，在外磁场作用下可在毫秒级时间内转变为粘稠状的类固体或固体结构，撤除磁场后，磁流变液又可瞬间转变为流动的液体，这种可逆转变被称为磁流变效应。现有的磁流变器件均是依据静态匀强磁场磁流变力学性能制成，剪切应力是磁流变液力学性能重要的性能指标，同时剪切应力的有效传递是磁流变器件可靠性的保障。磁流变液剪切应力受诸多因素的影响，如磁场强度、环境温度等[1-8]。磁场分布不均会导致磁流变器件工作面各点剪切应力不等，进而改变器件工作性能，造成不良影响。因此研究非均匀磁场对磁流变液剪切应力的影响，为磁流变器件的研发提供参考是有必要的。杨岩等[9]指出现有的磁流变器件工作环境都是非均匀磁场，传统的静态均匀磁场模型对其分析是不正确的，但并未对其作用原理及失效机制进行深入的研究。刘运等人[10]发现了匀强磁场中磁力矩公式在非均匀磁场中使用时的局限性，需要特别处理才能得到理想的结果。李强等[11]对非均匀磁场下磁流变液表观密度随磁场强度的变化进行了研究，指出磁流变液表观密度随磁场梯度增大而增大。王宇飞等人[12]用Maxwell对磁流变器件中电磁铁线圈产生的磁场进行有限元分析，表明多线圈活塞式阻尼器内部的磁感应强度分布是不均匀的，但并未根据磁场分布的特点对磁流变液剪切特性进行进一步的研究。结合现有的磁流变液剪切应力研究成果，本文分析非均匀磁场环境对磁流变液剪切特性的影响以及静态匀强磁场磁流变液剪切特性模型对非均匀场环境剪切特性的适用性。

2非均匀磁场模型

为了使不均匀分布的磁场更具有对称性，方便测量，两组错放(关于磁流变液区域内平行于C型电磁铁方向的中轴线呈中心对称的C型电磁铁)的C型电磁铁磁场耦合得到非均匀磁场环境，如图1所示。电磁铁磁极气隙区理论上是匀强磁场，称作基础磁场区。两电磁铁中间区域是耦合磁场区，该区间磁感应强度大小可以通过调节两电磁铁励磁电压来控制。若要正确反映非均匀磁场环境磁流变液剪切应力相异于静态匀强磁场的特点，需要准确描述非均匀磁场区域磁场强度分布。电磁铁磁场分布较为复杂，用ANSYS仿真非均匀磁场磁场强度分布情况，结果如图2所示。图中非均匀磁场区域磁场强度值随磁极间距的增大而减小，整个非均匀区域内磁感线均竖直向上，表明关于磁流变液区域内平行于C型电磁铁方向的同一个平面内，其竖直方向磁场强度值相等，即非均匀磁场区域磁场强度分布仅需测量任一水平面磁场强度分布即可。电磁铁通有一定的激励电流时，用特斯拉计对实验区域任一平面磁场强度分布进行测量，经Matlab拟合得到磁场强度分布曲线，如图2所示。由图2可知，基础磁场区磁感应强度值最大，耦合磁场区磁感应强度值随着远离基础磁场而逐渐减小，实验结果验证了仿真结果的正确性。图2中同一水平位置磁场强度大小基本相等，说明可以用单一曲线来代表整个曲面磁场强度分布。为验证磁场强度分布的正确性，重复测量几组不同激励电流的磁场强度分数据，如图3所示，同样得到前面所述的磁场强度分布规律。

3剪切特性实验

研究非均匀磁场对磁流变液剪切应力的影响，磁流变液剪切应力测量装置变形自提拉法模型，原理是由各个点位移的变化量求导得到各点加速度值，再由受力分析间接求解非均匀磁场各点剪切应力值，测量装置简图如图4所示。整个测试装置由剪切装置、导向装置、编码器以及两组配重组成。实验测量中剪切片在配重1的拉动下对磁流变液作剪切运动，整个剪切过程为变加速过程，编码器用来记录剪切片位移随时间变化的信息，配重2的作用是保证引导线始终绷紧使得受力在同一方向上。

4结果与讨论

实验中编码器设定采样频率为100Hz，测得的位移数据直接求导得到的加速度数值波动较大，需对位移数据先行拟合再求导，再根据(6)式计算得到剪切应力值。实验先后得到两电磁铁不同励磁电压组合时的剪切应力分布曲线，如图5所示。为验证非均匀磁场剪切应力计算结果的准确性，实验依据静态匀强磁场磁流变液圆筒剪切模型，结合非均匀磁场空间磁场测量数据，推导得到匀强场剪切应力理论曲线。图6所示为两电磁铁基础磁场均为40mT时的剪切应力测量值曲线与理论值曲线。对比分析图5、图6所示的剪切应力曲线，有以下特点：(1)图5所示不同基础磁场的三条剪切应力曲线整体趋势基本一致，剪切应力随空间磁场强度分布的改变而发生变化。(2)基础磁场区(0～30mm、90～120mm)是传统意义上的均匀磁场区域。图5中三条曲线对比发现，基础磁场越大，其气隙均匀磁场区剪切应力波动越大。图6所示基础磁场区域剪切应力值与匀强磁场剪切应力理论值相比有较大的波动，说明均匀磁场同样存在剪切应力分布不均的现象。(3)磁场衰减区(30～45mm、75～90mm)内剪切应力值急剧变化。图5所示的三条剪切应力曲线对比发现，基础磁场越强，剪切应力值波动越明显。图5所示此区间任一点剪切应力测量值与剪切应力理论值有较大波动。(4)图6所示中间平稳区(45～75mm)内各点磁场强度值基本相等，剪切应力值也基本相当。图5中此区域磁场强度最小，三条剪切力曲线在此区域也达到最小值。图6中此区域内剪切力的理论值大于测量值。上述现象说明静态匀强磁场磁流变液剪切模型不能直接应用到非均匀磁场环境中，更好地描述磁流变器件在工作时匀强场理论的失效性。而非均匀磁场磁流变液剪切特性相异于均匀磁场环境的原因，可以用磁偶极子理论推导得到非均匀磁场磁流变液剪切应力公式解释。当磁流变液受外力作用发生微小角度δ形变时，剪切应力值τ与基液磁导率μf、磁流变液体积分数φ、粒子磁化强度M、粒子间距系数λ(相邻小球球心距与小球直径的比值)等因素相关。对应相同磁场强度、相同实验环境而言，非均匀磁场环境中粒子间距系数、磁流变液体积分数等对其剪切应力影响较大。而实验环境最易观察到的是磁流变液浓度的变化，利用光透性试验观察发现磁流变液中铁磁性颗粒向强磁场区域聚集，磁场强度相对较小的区域的磁流变液体积分数明显下降，这使得磁场各处磁流变液体积分数不同，进而导致磁流变液剪切应力有较大波动。非均匀磁场对磁流变液剪切特性影响的其他因素和作用机理，是下一步的研究课题。

5结论

分析得出基础磁场区作为均匀磁场，同样存在磁场分布不均匀现象；基础磁场磁场强度值越大，衰减区剪切应力衰减越剧烈，中间稳定区磁场分布虽然近似匀强磁场，但是剪切应力同样波动较大。非均匀磁场对磁流变液剪切应力的影响因素包括基液磁导率、磁流变液体积分数、粒子磁化强度、粒子间距系数等，通过光透实验仅说明了非均匀磁场影响了磁流变液体积分数的分布，对于各个因素的影响机理分析需要后续实验进一步探究。

作者：贺新升 任韶卿 高春甫 黄鹏 王鸿云 陈卫增 单位：浙江师范大学 工学院 兰州交通大学 机电工程学院