麻建坐的博士论文=形状记忆合金驱动的磁流变液传动分析与设计.doc
SMA驱动的MRF在圆盘间挤压传动装置的分析（全套含CAD图纸）
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形状记忆合金驱动的磁流变液 传动机理及应用研究 重庆大学博士学位论文 学生姓名 ：麻建坐 指导教师：周 忆 教授 专 业：机械工程 学科门类：工学 重庆大学机械工程学院 二 R of y i 2012 中文摘要 I 摘要 形状记忆 合金 (磁流变液 (MR 新型智能材料。具有一定初始形状的形状记忆合金在一定条件下进行一定程度的变形之后，通过适当地改变外界条件如温度又会发生逆变形，使材料恢复成初始形状，在形状恢复的过程中，形状记忆合金若受到约束就会产生很大的回复力，利用其回复力可对外做功的特性，能制成各种驱动元件。磁流变液是能够在外加磁场作用下，从流体变为类似固体或凝胶状态的两相悬浮液，而且这种变化是可逆的。液态相通常是水或有机液，而固态相通常由微米级大小的磁性颗粒组成。在外加磁场作用下，可磁极化颗粒形成偶极矩， 使颗粒在平行于磁场方向形成类似链状或柱状结构，导致磁流变液的相态发生改变，磁流变液表观粘度增加，并表现出很高的屈服应力。只有当外部剪切应力大于屈服应力时，磁流变液才可以再次流动。屈服应力随着磁场强度的增加而增加，直至达到饱和状态。 基于形状记忆合金的形状记忆效应和磁流变液的流变特性，结合机械设计的方法，提出了形状记忆合金驱动的磁流变液传动方法；建立了形状记忆合金驱动的磁流变液剪切、压力驱动、挤压传动中的磁流变液流动和传力方程；分析了形状记忆合金驱动器的驱动力大小及其输出行程与温度的关系；得出了圆筒式和圆盘式 形状记忆合金驱动的磁流变液传动的几何尺寸设计计算公式。论文的主要研究工作如下： 1) 分析了磁流变液在外加磁场作用下产生磁流变效应的机理，基于偶极子模型，分别建立了磁流变液在剪切和挤压作用下屈服应力方程。 2) 基于流体运动微分方程和磁流变液本构方程，结合 形状记忆合金驱动的磁流变液传动 工作原理，研究了磁流变液的剪切传动、压力驱动传动、挤压传动，建立了 流动和传力方程 。 3) 分析了形状记忆合金驱动器的原理和设计方法，建立了形状记忆合金驱动器驱动力大小及输出行程与温度、应力应变、材料参数及尺寸参数等的关系。 4) 分别对 形状记忆合金驱动的 圆筒式和圆盘式 磁流变液传动进行了设计， 确定了基本结构参数，以此为基础分析了传动性能。 5) 分析了形状记忆合金弹簧感温与驱动特性测试方法和圆盘式磁流变制动器性能测试方法，分别进行了形状记忆合金及磁流变液特性实验。 本文的创新之处在于： 1)提出了一种热效应下形状记忆合金驱动的磁流变液传动方法，利用形状记忆合金的形状记忆效应和磁流变液的流变特性实现了温度对磁流变液传动性能的控重庆大学博士论文 。 2)基于偶极子理论，引入 触应力，研究了高浓度磁流变液在平行于磁场方向受压时屈服应力分析模型 ，建立了摩擦学修正磁偶极子模型。 3)基于形状记忆合金弹簧的热效应特性，建立了偏动式形状记忆合金驱动器输出行程与温度、形状记忆合金材料参数、应变及几何参数的关系。 关键词： 形状记忆合金，输出行程，磁流变液，传动方程，几何设计方法 英文 摘要 of at to If MA is in a to be MR a to a of an is or of R to a a to or to in in by an in in of is on MA R of a MR MA is R in MA of MA s of R MA is in is as 1) R R to a on R in of is 2) on R R R in MA 重庆大学博士论文 ) of a is of MA s 4) of R MA to of 5) MA R MA R by In as 1) R MA is in by MA R R 2) on of R by is to R in of 3) of MA s is on MA 录 V 目录 摘要 . I . 录 . V 插图与附表清单 . 绪论 . 1 景及意义 . 1 状记忆合金国内外研究现状 . 2 状记忆合金特性研究现状 . 2 状记忆合金弹簧研究现状 . 3 状记忆合金的应用研究现状 . 4 流变液材料及应用的研究和发展 . 5 流变液性能的研究和发展 . 6 流变液应用的研究和发展 . 7 文主要研究内容及创新点 . 9 2 形状记忆合金及磁流变液材料 . 13 言 . 13 状记忆合金性能 . 13 状记忆效应 . 13 响形状记忆效应的因素 . 15 状记忆合金 唯象本构模型 . 15 流变液性能 . 20 流变液的粘度 . 22 流变液的密度 . 23 流变液的磁特性 . 23 流变液的屈服特性 . 25 流变液的流变特性 . 37 章小结 . 41 3 形状记忆合金驱动的磁流变液传动分析 . 43 言 . 43 状记忆合金驱动的磁流变液剪切传动 . 43 盘空间的切向剪切传动 . 43 圆筒间的周向剪切传动 . 52 状记忆合金驱动的磁流变液压力驱动传动 . 59 矩形截面内的压力驱动传动 . 59 流变液在圆筒内的压力驱动传动 . 67 状记忆合金驱动的磁流变液挤压传动 . 73 流变液在两平行圆盘间挤压传动 . 73 流变液在两圆筒间挤压传动 . 80 章小结 . 88 4 形状记忆合金驱动的磁流变液传动设计 . 90 言 . 90 状记忆合金驱动弹簧设计 . 90 重庆大学博士论文 圆柱螺旋弹簧设计 . 91 面涡卷弹簧设计 . 93 用双程 形状记忆合金驱动 器 原理 . 95 状记忆合金控制的圆筒式磁流变液制动器 . 98 作原理 . 98 计理论分析 . 99 动器制动性能分析 . 103 状记忆合金驱动的圆盘式风扇离合器 . 105 盘式磁流变风扇离合器工作原理 . 106 盘式磁流变风扇离合器结构设计 . 107 盘式磁流变风扇离合器理论分析 . 109 盘式磁流变风扇离合器磁路分析 . 114 章小结 . 119 5 形状记忆合金及磁流变液特性测试 . 120 言 . 120 状记忆合金驱动特性实验 . 120 移受限下形状记忆合金弹簧输出力与温度的关系 . 120 状记忆合金弹簧输出位移与温度的关系 . 124 流变液在两平行剪切盘间的传动性能实验 . 126 流变液传动性能实验总体布置 . 126 流变液传动性能实验原理 . 127 流变液传动性能实验分析 . 127 章小结 . 129 6 结论与展望 . 130 论 . 130 一步的工作展望 . 131 致谢 . 132 参考文献 . 134 附 录 . 146 . 146 . 146 插图与附表清单 图与附表清单 图 文 研究路线 . 10 图 状记忆合金在冷 热循环过程中呈现的热滞现象 . 14 图 状记忆效应的原理示意图 . 14 图 氏体含量与温度的关系 . 17 图 变温度与应力的关系 . 18 图 粒体积分数对粘度的影响 . 22 图 型磁流变液材料的磁化曲线 . 24 图 磁场时剪切应力与应变率的关系 ( . 25 图 算值与实验值之间的误差 . 26 图 屈服应力与磁场强度关系 . 26 图 型磁流变液屈服应力与磁场强度的关系 . 27 图 流变 液链化过程 . 28 图 切屈服应力分析模型 . 29 图 流变液材料的相对磁导率与磁场强度的关系 . 31 图 屈服应力与外加磁场的关系 . 32 图 屈服应力与外加磁场的关系 . 32 图 屈服应力与外加磁场的关系 . 32 图 粒间形成稳定的颗粒链 . 34 图 压缩的颗粒链 . 35 图 对受剪切的颗粒 . 35 图 挤压时屈服应力与外加磁场的关系 . 37 图 流变液在磁场作用下的 型 . 41 图 粘度本构模型示意图 . 41 图 状记忆合金驱动的磁流变液在两圆盘间的剪切传动 . 44 图 磁流变液在两圆盘间的周向流动 . 44 图 型 . 45 图 算区域及节点 . 48 图 速度分布等值线 . 49 图 切应力与剪应变率的关系 . 51 图 磁场作用下传递转矩与 m 的关系 . 51 图 递转矩与磁场强度的关系 . 52 重庆大学博士论文 状记忆合金驱动的磁流变液在两圆筒间的剪切传动 . 52 图 流变液在两圆筒间的周向流动 . 53 图 同磁场强度下的流速分布 . 57 图 圆筒间传递转矩与磁场强度的关系 . 58 图 服厚度与负载转矩的关系 . 58 图 服厚度与屈服应力的关系 . 59 图 效应下由形状记忆合金驱动的磁流变液在矩形截面的轴向传动原理 . 59 图 流变液在矩形截面内的流动 . 60 图 加磁场作用下磁流变液在矩形截面内的流动分布 . 62 图 屈服区域流体微元的受力平衡 . 62 图 切应力与剪切速率之间的关系 . 64 图 服应力与 磁感应强度的关系 . 64 图 感应强度与磁场强度的关系 . 64 图 服面位置随磁场强度变化的关系 . 65 图 同磁感应强度下的流速分布 . 65 图 同磁感应强度下的流量 . 66 图 效应下由形状记忆合金驱动的磁流变液在两固定圆筒间的轴向传动原理 . 66 图 流变液在圆筒内的流动 . 67 图 加磁场作用下磁流变液在圆筒内的流动分布 . 68 图 屈服区域流体微元的受力平衡 . 69 图 服面位置随磁场强度变化的关系 . 71 图 同磁感应强度下的流速分布 . 71 图 同磁感应强度下的流量 . 71 图 效应下由形状记忆合金驱动的磁流变液在两圆盘间的挤压传动原理 .
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