PDF《柱状和层状结构磁流变弹性体剪切模量的数值计算‘》

助叙材料2006年第

5 期(

3 7 ) 卷 柱状和层状结构磁流变弹性体剪切模量的数值计算'

朱应顺, 龚兴龙, 张培强 ( 中国科学技术大学 力学和机械工程系, 中科院材料力学行为与设计重点实验室, 安徽 合肥

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0 0

2 7 )

2 计算模型 两个磁偶极矩分别为m , 和m

2 , 相距为芬的磁偶 极子, 它们间的磁相互作用能为: _

1 , m.

・m, 七1 ,片―I―4甲o,Uf、r ・子,(in,・子'

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其中t t , 为磁流变弹性体中 基体的相对磁导率. 假设磁场方向与链起始时的方向一致, 由铁磁性 球形颗粒形成的单链是理想的, 颗粒之间的间距相等, 并且颗粒大小相同.假设链与链之间平行等间隔排 列.设相邻链与链之间的间隔为 D o , 链内颗粒间距为 d o , 颗粒半径为R .建立三维直角坐标系, 如图

1 所示.记空间任意位置处颗粒坐标为( ( x , Y , Z ) . F i g

1 S k e t c h o f c a r t e s i a n c o o r d i n a t e s 设发生剪切变形后, 链偏转角度为B o颗粒磁偶极 矩大小相等, 记为m, 方向与磁场方向一致, 则(

1 ) 式变 为: . m2 ,

1 一3 c o s

2 O , 乙, 9今―I―It乙)47r,uo,u八r0)设剪切在 u , 则剪应变为 '

) , 则: x方向, 颗粒只发生 x方向位移, 记为 Y = t g

8 ― 一 ,颗粒新坐标为( x +y z , y , ℃ ? 少??产gdA飞了叮?了r?摘要: 从颗粒间的磁相互作用能出发, 计算了磁流 变弹性体的磁致剪切模量.考虑了链内颗粒和相邻链 中颗粒的影响, 修正了磁流变弹性体的磁偶极子模型. 构建了体心立方结构和简单立方结构计算模型, 分别 考虑了柱和层状聚集结构的大小以及其间距, 对含柱 状结构和层状结构的磁流变弹性体的力学性能进行 了 计算.计算结果表明, 单层模型的磁流变弹性体磁致 剪切模量比单链模型的预报值高约

4 8 %.在提高磁 流变弹性体的磁致剪切模量方面, 层状结构优 于柱状 结构. 关键词: 磁流变弹性体;

剪切模且;

磁偶极子 中图分类号:

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2 6 ;

T B

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1 文献标识码: A 文章编号:

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1 引言磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支.它 是由橡胶等弹性基体和铁磁性颗粒组成, 混合有铁磁 性颗粒的基体在外加磁场作用下固化, 由于磁流变效 应, 铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状等聚集结构. 固化后这种有序结构就根植在基体中, 因此它的力学、 电学诸性能可以由外加磁场来控制.由于它兼有磁流 变材料和弹性体的优点, 又克服了磁流变液沉降、 稳定 性差等缺点, 因而近年来成为磁流变材料研究的一个 热,A一

5 3 . 磁场引起的磁流变弹性体的附加剪切模量即磁致 剪切模量, 能够反映磁流变弹性体可控性能的大小, 是 其主要力学性能指标之一.D a v i s 通过理论计算发现, 磁流变弹性体中颗粒的最佳体积比浓度为2

7 , 此时 磁饱和后其剪切模量相对改变量约为

5 0

0 0 [

1 ) .在当 前条件下制备出的磁流变弹性体的可控性仍然十分有 限, 限制了它在工程中的广泛应用. 目前的磁流变弹性体计 算模 型局 限于单链模 型〔 '

一'

」,忽略了相邻链的影响, 无法计及颗粒具体的聚 集结构对其力学性能的影响.本文从颗粒间的磁相互 作用能出发, 考虑了链内颗粒和相邻链中颗粒的影响, 修正了磁流变弹性体的磁偶极子模型.分别考虑了柱 和层状聚集结构的大小以及其间距, 对含柱状结构和 层状结构的磁流变弹性体的力学性能进行了计算, 为 磁流变弹性体性能的提高提供依据和指导. r 二二二cos20((x+Y z )