《电磁热智能材料传动技术》探究磁流变液与形状记忆合金两类典型智能材料复合技术及应用，提出电磁热智能材料复合传动方法，系统、全面地介绍电磁热智能复合传动机理及应用的*新研究成果。《电磁热智能材料传动技术》主要内容包括磁流变液与形状记忆合金及其性能、电磁热智能材料传动理论、电磁热智能材料传动分析与设计、电磁热智能材料复合传动装置、电热形状记忆合金弹簧与磁流变传动实验。

目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 磁流变液国内外研究现状 2
1.2.1 磁流变液性能 3
1.2.2 磁流变液应用 5
1.3 形状记忆合金发展与应用 9
1.3.1 形状记忆合金性能 10
1.3.2 形状记忆合金应用 11
1.4 形状记忆合金与磁流变液复合传动技术 13
1.4.1 形状记忆合金驱动的磁流变液传动 13
1.4.2 形状记忆合金挤压的磁流变液传动 14
1.4.3 形状记忆合金弹簧摩擦与磁流变液复合传动 15
参考文献 16
第2章 电磁热智能材料 28
2.1 磁流变液及其性能 28
2.1.1 磁流变液组成 28
2.1.2 磁流变液分类 31
2.1.3 磁流变效应 31
2.1.4 磁流变液本构模型 34
2.1.5 磁流变液工作模式 36
2.1.6 磁流变液性能 37
2.2 形状记忆合金及其性能 47
2.2.1 形状记忆效应 47
2.2.2 超弹性 48
2.2.3 **形状记忆合金本构模型 49
2.2.4 形状记忆合金剪切本构模型 60
参考文献 63
第3章 电磁热智能材料传动理论 68
3.1 电磁热智能材料传动概述 68
3.1.1 定义 68
3.1.2 工作原理 69
3.1.3 特点 70
3.2 磁流变液传动形式 70
3.2.1 磁流变液工作间隙结构 71
3.2.2 磁流变液受力 72
3.3 磁流变液剪切传动 73
3.3.1 圆盘式剪切传动 73
3.3.2 圆筒式剪切传动 77
3.3.3 圆锥式剪切传动 81
3.3.4 圆弧式剪切传动 82
3.3.5 球形剪切传动 83
3.4 磁流变液挤压传动 85
3.4.1 平行圆盘间挤压传动 85
3.4.2 偏心挤压传动 90
3.4.3 椭圆挤压传动 93
3.5 磁流变液压力驱动传动 96
3.5.1 圆筒内压力驱动传动 96
3.5.2 矩形管内压力驱动传动 101
3.6 磁流变液剪切挤压传动 104
3.6.1 两圆盘间流动 104
3.6.2 压力分布 106
3.7 磁流变液摩擦传动 108
3.7.1 滑动摩擦机理 108
3.7.2 刚性体在弹性体上滑动 109
3.7.3 刚性体在刚性体上滑动 110
3.7.4 接触摩擦传动 113
参考文献 124
第4章 电磁热智能材料传动分析与设计 126
4.1 电磁场基本公式与分析 126
4.1.1 毕奥-萨伐尔定律 126
4.1.2 安培环路定律 130
4.1.3 磁通量和磁感应强度 134
4.1.4 磁化和磁导率 135
4.1.5 磁场边界条件 137
4.1.6 磁路分析 138
4.2 热场基本原理与分析 143
4.2.1 热传导 143
4.2.2 热对流 144
4.2.3 热辐射 145
4.2.4 传热过程和传热系数 146
4.2.5 导热问题的数学描写 148
4.2.6 热场有限元分析 152
4.3 磁流变液分析与设计 155
4.3.1 磁流变液器件的失效形式和设计准则 156
4.3.2 磁流变器件的关键几何尺寸 157
4.3.3 磁流变器件用磁流变液的主要性能 165
4.3.4 圆筒式磁流变离合器的设计方法 171
4.4 形状记忆合金驱动器件 172
4.4.1 圆柱螺旋弹簧分析与设计 172
4.4.2 平面蜗卷弹簧分析与设计 178
4.4.3 电热形状记忆合金弹簧分析与设计 180
4.4.4 形状记忆合金有限元分析 185
参考文献 188
第5章 电磁热智能材料复合传动装置 191
5.1 磁流变液与电热形状记忆合金弹簧滑块摩擦复合传动装置 191
5.1.1 复合传动装置工作原理 191
5.1.2 传动装置转矩性能分析 192
5.2 形状记忆合金与磁流变交替传动装置性能 197
5.2.1 交替传动装置工作原理 197
5.2.2 磁场有限元分析 198
5.2.3 装置传动转矩分析 200
5.3 形状记忆合金驱动的变体积分数磁流变液制动装置 202
5.3.1 复合制动装置工作原理 202
5.3.2 制动器转矩性能分析 204
5.3.3 制动转矩分析 208
5.4 形状记忆合金与磁流变联合制动器 209
5.4.1 联合制动器工作原理 209
5.4.2 制动器转矩性能分析 210
5.4.3 高温下的磁流变液性能 212
5.5 形状记忆合金弹簧驱动的圆盘式变面积磁流变传动装置 215
5.5.1 传动装置工作原理 215
5.5.2 传动装置转矩性能分析 216
5.6 单变双筒式磁流变联合传动装置 219
5.6.1 联合传动装置工作原理 219
5.6.2 磁场分析 220
5.6.3 形状记忆合金弹簧驱动特性及温度影响 222
5.6.4 转矩分析 224
5.7 电磁力与形状记忆合金挤压的圆盘式磁流变传动装置 226
5.7.1 复合传动装置工作原理 226
5.7.2 传动装置转矩性能分析 227
5.8 电磁挤压的多盘式磁流变液传动 232
5.8.1 复合传动装置工作原理 232
5.8.2 传动装置转矩性能分析 232
5

第1章　绪论
　　智能材料是指具有感知环境刺激，能对其进行分析、处理、判断，并采取一定措施进行响应的一类新型功能材料。智能材料本身具有感知、驱动和控制的特性，将智能材料应用于机械传动装置中，不仅可以提高传动装置的结构柔性，还能够使传动装置具有热场、电磁场等多物理场智能感知能力。
　　智能材料复合传动技术是通过将多种智能材料复合构成一个智能材料系统，并将其与现有传动技术结合而形成的一种新型传动技术。智能材料复合传动技术主要是在考虑多物理场耦合作用的前提下，研究智能材料(如磁流变液和形状记忆合金)及其器件在传动方面的力学性能。智能材料复合传动技术涉及材料学、化学、生物技术、计算机技术、机械传动及自动控制等多个学科的前沿领域，其发展被誉为“一场新的工业革命”[1]，具有巨大的应用前景和社会效益。
　　1.1　研究背景及意义
　　随着高新技术的发展，智能材料及其器件已经成为材料科学和新型智能机械领域的一个重要研究方向[2-4]。智能材料及器件的研究呈开放性和辐射性趋势，具有广泛的学科交叉性和应用领域的多样性，涉及机械工程、工程力学、物理学、材料学、化学、航空航天、医学和计算机等多种学科领域[5]。形状记忆合金和磁流变液作为典型的新型智能材料，其力学性能可由外部激励源(如热场或磁场等)进行控制。形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)是具有形状记忆效应与超弹性的一类特殊合金材料，如Ni-Ti合金、Cu-Al-Ni合金和Fe-Mn-Si合金等。形状记忆合金在一定条件下发生一定程度的变形后，通过适当地改变外界条件(如温度或应力)又可恢复成初始形状[6]。磁流变液(magnetorheological fluids，MRF)是一种形态和性能受外加磁场约束和控制的固液两相功能材料，主要是由微米级的磁性颗粒通过表面活性剂或分散剂稳定分布于特殊载液中形成的悬浮液。无外加磁场作用时，磁流变液表现出类似牛顿流体的力学性质；在外加磁场作用下，磁流变液的流变特性急剧变化，由牛顿流体迅速转变为黏塑性体，并呈现出类似固体的力学特性，具有明显的屈服应力，且其屈服应力可由外加磁场连续控制[7]。由于*特的力学性能、广阔的应用前景，形状记忆合金和磁流变液及其器件引起了国内外学者越来越广泛的关注，并对其开展了大量的研究[8-10]。
　　形状记忆合金与磁流变液等智能材料按其特殊功能以特定方式融合到材料中或与结构件复合，即可利用其传感与驱动功能实现智能感知和自适应调节的功能[11]。基于形状记忆合金和磁流变技术的结构能够应用于下一代以产品功率密度、精度和动态性能等为主要功能特性的产品设计中[12]。利用形状记忆合金在形状恢复时，其恢复的形变可对外输出位移、恢复力可对外做功的特性，能制成各种驱动元件，这类驱动元件具有结构简单、灵敏度高、可靠性高等特点。磁流变液作为一种流变特性随磁场变化的动力传递介质，将其应用于传动元件的特点可实现主从动件间的柔性传动；可实现高灵敏度、高精度、平稳的无级调速；易实现调速过程的遥控和自动控制。
　　传统的机械装置在启动时易产生机械冲击[13，14]，影响机械装置的使用寿命，特别是在带负载启动的情况下，机械冲击更加严重[15]。为了使机械系统即使在满载工况下也能够按照合理的速度逐步克服整个系统的惯性而启动或停车，工程上常采用软启动技术以保证在启动和停车过程中，作用在机械设备上的冲击能*小[16，17]，从而延长减速器等关键部件的使用寿命[18]。形状记忆合金和磁流变液因其*特的力学性能在传动方面具有良好的应用前景。虽然国内外学者对形状记忆合金和磁流变材料及其性能进行了大量的研究，对其工程应用也做了很多探讨，但是国内外相关文献报道的技术还只是限于一般原理；以形状记忆合金和磁流变液为典型代表的智能材料在国外仅有少数几种商业化的传动器件产品问世[19，20]，而在国内还未出现成熟的传动器件产品；在相关器件开发方面也只有少数的研究机构做了一些探索性工作[21]，器件开发过程中的关键技术还处于保密阶段。限制磁流变液传动装置大范围应用的主要原因是磁流变传动还未能较好地解决磁流变液剪切屈服应力较小[22]、高温下磁流变液性能下降[23]、静置易沉降[24]等问题。而形状记忆合金的形状记忆效应能够在磁流变液传动装置温升过程中输出驱动力或位移，弥补或增强磁流变液传动装置的传动性能。将形状记忆合金和磁流变液引入传动领域，开发新型智能传动器件，进行相关传动机理、传动器件结构和设计理论等研究具有重要的理论意义，同时也是实现智能材料产业化的关键内容，因此迫切需要对形状记忆合金与磁流变液传动技术进行研究。
　　1.2　磁流变液国内外研究现状
　　磁流变液是美国学者雅各布?拉比诺(Jacob Rabinow)于1948年发明的一种智能材料，本质上是由悬浮在非磁性介质中的可磁化的固体颗粒组成的两相复合材料[25-27]。磁流变液将固体粒子的强磁性和液体的流动性巧妙地结合在一起，其优异的性能表现在：没