复杂磁场和流场中磁流变液的摩擦机理及特性研究

In this project, the dynamic properties of particle structures inside magnetorheological fluids will be used to analyze the friction mechanisms of magnetorheological fluids, and then the output performance mathematical models of magnetorheological fluids will be established based on complex magnetic and flow field parameters..Starting from the actual flow of magnetorheological fluids, the motions of two-phase fluid lumps contain structured particles will be studied, then the friction mechanisms of magnetorheological fluids will be analyzed, and the macroscopic continuous medium constitutive relation models of magnetorheological fluids will be established. The effects of dynamic evolution processes of particle structure inside inhomogeneous magnetic and flow fields, which induced by surface textures and interferences of magnetizers, will be studied. The nonlinear coupling dependence of apparent viscosity tensor of magnetorheological fluids on parameters of inhomogeneous magnetic and flow fields will be derived. The responses of magnetorheological fluids on dynamic magnetic and flow fields will be studied under conditions of inhomogeneous magnetic and flow fields. The differential mathematical models for output performances of magnetorheological fluids will be established. The optimization design method for controllable output performance of magnetorheological fluids will be proposed, and the application devices with magnetorheological fluids under complex magnetic and flow fields will be designed and manufactured in order to verify the conclusions in this project..The friction mechanisms and output performances of magnetorheological fluids will be researched under the condition of dynamic, inhomogeneous magnetic and flow fields, and the control parameters of properties magnetorheological fluids will increased, so that the research can lay a good foundation for improving the controllable friction performances and expanding the applications of magnetorheological fluids.

本项目以磁流变液中的颗粒结构动态特性为纽带，分析其摩擦机理，建立基于复杂磁场和流场参数的磁流变液输出性能的数学模型。.从磁流变液的真实流动出发，研究包含结构化颗粒的二相流体微团的运动规律，分析磁流变液的摩擦机理并建立宏观的磁流变液连续介质本构关系模型。研究表面织构和导磁体干扰造成的非均匀磁场和流场作用下颗粒结构的动态演化过程对磁流变液性能的影响规律，推导非均匀磁场和流场参数与磁流变液表观粘性张量之间的非线性耦合关系。研究复杂磁场和流场环境中磁流变液对动态磁场和流场的响应，建立磁流变液动态输出特性的数学微分方程。提出实现磁流变液可控输出的最优化设计方法，研制具有复杂磁场和流场的磁流变液应用装置，对项目研究结论进行验证。.项目在动态、非均匀磁场和流场条件下研究磁流变液的摩擦机理和输出性能，增加了磁流变液的性能调控参数，能够为提高磁流变液的可控摩擦性能和拓展其应用范围奠定良好的基础。

磁流变液(Magnetorheological Fluids, MRF) 是由微米量级的铁磁性颗粒分布于非磁性液体中形成的悬浮液。在外加磁场的作用下，MRF 由粘性流体转化为类固态，其物理性能同时发生巨大改变。基于厘清MRF物理特性的机理和改进MRF应用条件的目的，本项目开展了复杂磁场和流场中MRF 的摩擦机理和特性的研究。.将MRF简化为具有磁敏特性的各项异性连续介质，磁场对MRF的作用为体积力。由于MRF中颗粒结构方向与磁场方向一般不重合，磁场力会形成体力偶。在对MRF流体微团进行分析时，与体力偶相平衡的表面力产生的应力偶是由于表面力在微单元体表面上分布不均匀产生的。在上述分析的基础上，得到了以应力表达的MRF运动微分方程。MRF运动微分方程的推导是对MRF性能分析的新思路，对于普通状态的MRF流动，尤其对复杂磁场和流场中MRF的运动分析具有重要的基础意义。.在对MRF进行动态响应实验的基础上分析了MRF的动态性能。动态参数包括剪切率和励磁电流，参数的动态特性包括阶跃和斜坡两种。研究结果表明MRF的动态特性具有很强的非线性特征。磁场作用下MRF的动态性能取决于颗粒结构、颗粒间的相互作用、颗粒结构与基础液之间的作用等。在此基础上进一步分析了MRF的动态过程中颗粒结构的变化趋势，尤其是暂态结构随时间、剪切率、磁场的变化，从而准确把握MRF在复杂磁场和流场中的动力学规律。.研制了磁流变传动实验台和磁流变隔振实验台两个实验装置。开发了电磁式和永磁式两类磁流变传动装置，开展了空载特性、静载特性、动态响应特性、调速特性等性能测试。根据实验结果对磁流变传动装置的特性进行了分析，并对结构进行了优化。制备并测试了变形适应性MRE的基础性能。在此基础上研制了MRE-MRF复合磁流变减振器件，利用振动测试平台对隔振器的性能进行测试。研究结果表明，复杂磁场和流场条件下的磁流变传动装置和隔振装置的性能均有较大提高。项目实现了MRF实用装置性能的精准控制，简化了控制系统，为MRF 的低成本高性能应用奠定了基础。