磁流变弹性体力磁耦合本构关系的研究进展

发布时间：2019-09-21 17:33

【摘要】：磁流变弹性体是一类力学特性能够被外磁场可逆调控的新型智能复合材料。将微米尺寸的磁性颗粒填充到橡胶类聚合物基体中制备的磁弹体材料,其模量、阻尼和形变可以由外加磁场快速、连续、可逆改变。目前,基于动力学实验的宏观力学元素组合模型分析方法、微观偶极子力学分析和宏观连续介质力学描述成为分析磁感应多场耦合复合材料本构关系的主要方法。同时,数值模拟也成为研究磁流变材料的颗粒聚集结构演化和磁致伸缩效应的有效手段。本文侧重于介绍磁弹体智能材料力磁耦合的基本理论和研究方法,总结相关研究工作并探讨研究趋势,为磁敏类多功能材料的应用研究提供理论基础。
【图文】：

修正图,多极,能量密度函数,横观各向同性

图３ＭＲＥ中磁性颗粒多极力修正图［３０］：（ａ）作用力方向的修正图，（ｂ）γ＝０颗粒引力修正（虚线为点偶极子作用力）Ｆｉｇ．３ＴｈｅｍｕｌｔｉｐｏｌｅｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎｉｎｔｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｆＭＲＥ：（ａ）ｄｉａｇｒａｍｆｏｒｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｃｅ；（ｂ）ｃｅｎｔｅｒ－ｔｏ－ｃｅｎｔｅｒｆｏｒｃｅｉｎａｐａｉｒｏｆｐｏｌａｒｉｚａｂｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈγ＝０（ｐｏｉｎｔ－ｄｉｏｐｌｅ）小，磁流变材料各向异性不明显。２００６年Ｙｉｎ等［４２］使用修正的Ｇｒｅｅｎ函数和无线长单链代表元得到链状结构ＭＲＥ在磁场和外力载荷下有限变形的当地磁场和弹性场，理论分析结果表明基体杨氏模量和颗粒体积分数存在一个最佳值，使得有效磁弹性最大，同时在变形很小的时候可以得到横观各向同性材料的有效弹性理论模型。２０１０年Ｂｕｓｔａｍａｎｔｅ等［４３］提出链状结构ＭＲＥ是横观各向同性磁响应材料，将材料的结构张量ａ０（参考构型中链方向，表征磁流变材料结构异性方向）引入能量密度函数中，得到横观各向同性能量密度函数的十参数表达式。２０１１年Ｄａｎａｓ等［４４］将Ｋａｎｋａｎａｌａ等的方法运用到链分布结构的ＭＲＥ材料中，并通过不同的预加载实验推导出横观各向同性能量密度函数。２０１４年Ｓａｘｅｎａ等［４５－４６］创新性地提出了一个横观各向同性粘弹性能量密度函数。此外，Ｍｉｋｈａｉｌ等［４７］总结了电磁耦合流变各向异性自由能函数的一般形式；Ｈａｎ等［４８］假设粒子链是锯齿状的，并从

实验对比,磁流变液,屈服应力,模型

认为未达饱和磁场强度时颗粒是渐进饱和的：先是颗粒两极区域饱和，后逐渐扩展到整个粒子区域。平均颗粒磁化强度可以通过串并联磁阻的方式近似得到（Ｂ为复合材料的平均磁感应强度，Ｊｓ为粒子饱和极化强度，Ｊｓ＝μ０Ｍｓ）：Ｊｐ＝〈Ｊｐ〉＝３α３Ｂ／２＋（１－α３）Ｊｓ１＋３φα３／２（１３）由图５可以看出Ｊｏｌｌｙ的渐进磁化模型与实验数据吻合较好，虽然模型中引入了两个可调参数，但是也可以体现出偶极子作用模型的有效性。图５Ｊｏｌｌｙ模型和实验对比：（ａ）磁流变液屈服应力和磁场强度关系曲线；（ｂ）三种磁弹体的磁致弹性模量与磁感应强度的关系曲线（离散点为实验数据）Ｆｉｇ．５ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＪｏｌｌｙ’ｓｍｏｄｅｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ：（ａ）ｙｉｅｌｄｓｔｒｅｓｓａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆａｐｐｌｉｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；（ｂ）ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｔｏａｐｐｌｉｅｄｆｉｅｌｄ（ｄｉｓｃｒｅｔｅｐｏｉｎｔｓａｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ）Ｊｏｌｌｙ模型只考虑了单链中相邻颗粒间的作用，２００４年Ｓｈｅｎ等［２３］则考虑了整条链中颗粒间相互作用，同时采用Ｏｇｄｅｎ模型来描述基体材料，得到磁弹体整体的剪应力－应变的关系曲线，模型与实验数据的比较见图６。经典的Ｊｏｌｌｙ模型中粒子链结构被简化为直链，，Ｚｈｕ等［２４］计算了整个空间点阵分布的所有粒子的作用，其他的工作基本上是改变这种直链空间分布情况，如体心分布和竖状、层状分布等。Ｃｈｅｎ
【作者单位】：中国工程物理研究院总体工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金(11372295)
【分类号】：TB381

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