内容简介
《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
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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
5.8.3 挤压强化及转矩特性分析 235
5.9 圆锥式磁流变与形状记忆合金复合传动装置 237
5.9.1 复合传动装置工作原理 237
5.9.2 传动装置转矩性能分析 238
5.10 圆弧式磁流变与形状记忆合金复合传动装置 242
5.10.1 复合传动装置工作原理 242
5.10.2 传动装置转矩性能分析 243
5.11 高温形状记忆合金挤压的圆盘式MR制动器性能 248
5.11.1 复合制动器工作原理 248
5.11.2 制动器性能分析 249
5.12 SMA与磁流变液楔挤自加压复合传动装置 253
5.12.1 复合传动装置工作原理 253
5.12.2 传动原理分析 254
5.12.3 传动装置转矩分析 256
参考文献 261
第6章 电热形状记忆合金弹簧与磁流变传动实验 263
6.1 数字全息显微测量磁流变液实验系统 263
6.1.1 数字全息显微测量微流场原理 263
6.1.2 实验装置及参数 264
6.1.3 磁流变液全息图记录 265
6.1.4 磁流变液全息图重建及实验数据分析 265
6.1.5 电子显微镜对比实验 269
6.2 磁流变液性能测试实验 271
6.2.1 磁流变液流变特性 271
6.2.2 实验装置与设置 271
6.2.3 磁感应强度对磁流变液的影响 274
6.2.4 体积分数对磁流变液的影响 275
6.2.5 剪切应变率对磁流变液的影响 276
6.2.6 温度对磁流变液的影响 278
6.3 形状记忆合金弹簧特性实验 278
6.3.1 位移受限下形状记忆合金弹簧输出力与温度的关系 279
6.3.2 形状记忆合金弹簧输出位移与温度的关系 282
6.4 电热形状记忆合金弹簧热机械性能实验 284
6.4.1 电热形状记忆合金弹簧工作原理 284
6.4.2 实验装置与设置 285
6.4.3 回复力驱动性能 287
6.4.4 位移驱动性能 291
6.4.5 位移-回复力复合驱动性能 293
6.5 磁流变液传动特性测试 295
6.5.1 磁流变液在两平行剪切盘间的传动性能实验 295
6.5.2 形状记忆合金驱动的圆筒式磁流变液传动性能实验 297
6.6 磁流变液与形状记忆合金复合传动性能试验 303
6.6.1 磁流变液与形状记忆合金复合传动性能实验方案 303
6.6.2 磁流变液与形状记忆合金复合传动性能实验原理 304
6.6.3 磁流变液与形状记忆合金复合传动样机结构及主要参数 305
6.6.4 复合传动性能实验内容及方法 307
6.6.5 复合传动性能实验结果分析 308
6.7 电磁挤压的磁流变制动器试验 312
6.7.1 实验装置与设置 312
6.7.2 实验结果及分析 314
参考文献 315
试读
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:没有外加磁场的情况下,磁流变液表现为一般牛顿流体状态,具有较低的黏度(0.1~1.1Pa?s);一旦在磁场的激励下,磁流变液可快速地(20~300ms)完成从自由流动状态到类固体状态的可逆转变,其表观黏度通常比无磁场状态的黏度高几个数量级[28,29]。
磁流变液主要由三部分组成:软磁性颗粒、基础液和添加剂。软磁性颗粒作为磁流变液的悬浮相决定其主要的磁学特性;基础液用于分散悬浮相并使其呈现出流体特性;添加剂则用于改善磁流变液的综合性能。
在外加磁场作用下,磁流变液中的磁性颗粒产生磁极化,颗粒沿磁力线方向形成链状结构,是磁流变液产生磁流变效应的核心。这种链状结构限制了流体的运动,因此改变了流体的流变行为。磁性颗粒的选取和制作很大程度上影响了磁流变液的磁学特性,磁性金属颗粒通常由纯铁粉、羟基铁粉和铁/钴合金等磁饱和强度较高的材料制成[30]。目前磁性颗粒制备方法有粉碎法[31]、共沉法[32]、软化学方法[33]、热分解法[34]、超声分解法[35]和沉积法[36]等。在实际应用中,磁流变液中磁性颗粒的体积分数通常为30%左右。现有研究表明[37],材料成分对磁流变效应的影响较大,若磁流变液需具备抗沉降、高屈服强度、化学性能稳定等优异性能,则其磁性颗粒的尺寸应保持在1~10?m,因为较大的磁性颗粒尺寸不可避免地会导致沉淀问题,而过小的磁性颗粒尺寸不能保证磁流变液有足够的剪切屈服强度。
基础液是软磁性颗粒和添加剂的载体,其作用是对金属颗粒进行润滑和分散磁性金属颗粒。为提高磁流变效应,基础液应具有较高的化学兼容性。一般情况下,磁流变液在无磁场作用时的行为类似基础液,使用低黏度的基础液可有效降低磁流变液的零场黏度,但基础液黏度过低容易导致磁流变液沉降稳定性变差[38]。此外,在基础液的选取过程中还应考虑液体的凝固点和沸点,保证基础液黏度受温度影响较小。目前广泛使用的基础液主要有硅油、烃基油、矿物油和水等[39]。
添加剂主要包括稳定剂、润滑剂和表面活性剂。添加剂能起到分散磁性金属颗粒、提高颗粒极化能力、防止流体触变、改进摩擦、防止腐蚀和磨损等作用。添加剂既要保证与基础液有很好的互溶性,又要与磁性颗粒具有较强亲和力,其中,油脂、硬脂酸钠或硬脂酸锂可作为表面活性剂[40],用于改善磁流变液的稳定性、防止磁性金属颗粒沉降;亚铁可以作为分散剂,提高磁性颗粒的分散性能;有机膨润土和二硫化钼可作为润滑剂,改善颗粒间的润滑作用[41]。添加剂要求能够控制液体的浓度、颗粒间的摩擦和沉淀,并且在设计使用寿命期间性能稳定[42]。
1.2.1 磁流变液性能
1. 磁流变液的磁学性能
磁流变液的磁化*线表现为随着磁场强度的增加,磁流变液的磁化强度先迅速增加,而后缓慢增加,*终达到饱和磁化强度。Jolly等[43]通过介绍早期美国洛德(Lord)公司生产的4种磁流变液的磁化*线,揭示了磁流变液相对磁导率与磁场强度之间的关系。Demortière等[44]研究了磁性颗粒尺寸对磁流变液流变性能的影响,得出了颗粒大小与磁流变液磁饱和强度的关系。Daou等[45]通过光谱分析从分子层面研究不同种类的活性剂对铁磁性颗粒的包覆作用,研究表明氧化铁纳米颗粒在羧酸盐活性剂的影响下表面氧化层将发生自旋倾斜,导致磁饱和强度大幅下降。易成建等[46]、Yi等[47]、Peng和Li[48]利用分子动力学和有限元仿真分别研究了磁性颗粒的成链机理,并应用统计力学的方法建立了磁流变液单链模型,得到了磁流变液的磁学和力学特性,为磁流变液微观结构力学和磁学特性的研究提供了理论指导。Bica[49]对磁流变液中的磁致电阻进行了定量分析,证实外加磁场将导致磁流变液微结构的变化,并得出磁致电阻随时间的变化规律。张超等[50]将离散单元法与安培环路定律结合,建立电磁颗粒内部磁场强度与外加磁场之间的关系,并证实在颗粒未完全磁化时,颗粒磁场强度与外加磁场呈现线性关系,其比例系数约为3.6。
2. 磁流变液的屈服性能
磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应,其重要特征是使磁流变液的力学性能发生了特殊的变化,即磁流变液出现了剪切屈服应力,剪切屈服应力的大小直接衡量着外加磁场作用下形成结构的强度大小,因此在磁场作用下磁流变液能产生的剪切屈服应力是其应用的关键参数。目前关于磁流变液流变特性的研究还不完善,且*初发展的理论方法是围绕电流变液展开的。Cutillas等[51]预测了电流变液的成链规律,并建立了早期的电流变液流变模型。由于磁流变液与电流变液成链机理类似,相关学者通过分析两者的共通性,建立了磁流变液的屈服应力模型[52,53]。Tang和Conrad[54]对磁流变液剪切屈服应力的二维和三维分析模型进行改进,并认为剪切屈服应力是磁场强度和颗粒体积分数的函数,其主要影响因素是颗粒的聚集度、磁饱和度和颗粒间的附加磁场,研究表明,磁流变液的各向异性磁化率引起的扭转力占总剪应力的20%以上,当颗粒完全磁化后,剪切屈服应力与饱和磁化强度的平方成正比。Guo等[55]将指数分数函数引入磁链模型,描述了磁通密度、磁场强度、粒径、颗粒体积分数、磁链角度等因素对磁流变液剪切屈服应力的影响。李海涛和彭向和[56]基于磁力学理论,建立了考虑磁力、压力、摩擦力及磁场对颗粒的力矩等作用力在内的杆形颗粒磁流变液剪切屈服应力模型。结果表明,该模型能描述不同磁场强度下杆形颗粒磁流变液的剪切屈服应力,并发现增大颗粒摩擦系数和颗粒细长比能有效提高该磁流变材料的剪切屈服应力。
上述学者主要研究了纯剪切模式下磁流变液的屈服特性,而较少在挤压、挤压-剪切混合模式下对磁流变液进行研究。针对磁流变液的挤压强化效应,Zhang等[57]通过实验探究磁性颗粒间隙与磁流变液剪切屈服应力之间的关系,并建立了相关经验公式,揭示了磁流变液的挤压强化机理。Mazlan等[58]通过液压冲击实验证明挤压强化效应与初始间隙厚度有关。Hegger和Maas[59]提出剪切-挤压混合模式下磁流变液的剪切屈服应力模型,并综合考虑了磁性颗粒磁性力、黏液阻力和摩擦力的影响,研究表明,当磁流变液受到轴向挤压时,其剪切屈服应力显著提高,但挤压强化效应仅在剪切应变率较小的范围内有效,当磁链剪应变为0.25时磁流变液的剪切屈服应力达到*大值。
3. 磁流变液的流变特性
无磁场作用时,磁流变液表现出类似牛顿流体的力学性质,应力与变形速率呈线性关系且只要有剪应力就会产生流动;在磁场作用下,磁流变液中的磁性颗粒沿磁场方向排成链状,这些链状结构阻止了液体的流动,因而改变了磁流变液的流变特性,磁流变液呈现出较高的屈服应力,只有当剪应力超过屈服应力后才开始流动,具有黏性和塑性特性,其流动表现出黏塑性体行为[60]。