维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期（总第９５期） 机械管理开发 ２ｏｏ７年４月 Ｎｏ．２（ＳＵＭ Ｎｏ．９５） ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ Ａｐｒ．２００７ 磁流变液特性分析 裴畅贵郭张霞 ．（中北大学电子与计算机科学技术学院山西太原０３００５１） 【摘要ｌ介绍了磁流变液智能材料的组成、特性及流变机理，综合分析和比较了磁流变液的几种本构模型。 【关键词】磁流变液；本构模型；智能材料 【中圈分类号】ＴＭ２７１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】 １００３—７７３Ｘ（２００７）０２—００２４—０２ Ｏ引 言 ２磁流变液的流变特性 磁流变液是一种具有发展前途和工程应用价值的 磁流变液在磁场的作用下，可由牛顿流体瞬间转 新兴智能材料【】１。性能良好的磁流变液在磁场的作用 变为宾汉姆（Ｂｉｎｇｈａｍ）流体［４１。Ｂｉｎｇｈａｍ流体是指具有 下能产生明显的磁流变效应，即在液态和固态之间进 屈服应力的粘塑性流体，它与牛顿流体有着不同的流 行快速可逆的转化，这种转化是在毫秒量级的时间内 动特性曲线，磁流变液集流体流动性和固体塑性于一 完成的。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续，无级 体，其流变特性，如粘度、弹性等会随外加磁场改变而 变化，整个转化过程极快、且可控、能耗极小，可实现实 迅速改变。在磁场作用下磁流变液成类固体状态，并可 时主动控制。 以承受机械力。像其它固体材料一样，使磁流变液发生 磁流变液的研究是在电流变液（ＥＲＦ）ｔ２１的基础上发 破坏的应力即为屈服应力。磁流变液在外加磁场作用 展起来的，一般认为Ｗｉｎ ｓｌｏｗ［３１在２Ｏ世纪４Ｏ年代末期 下的屈服过程由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶 发现了电流变现象，并把这种现象解释为由电场诱发 段组成，其中，屈服前区和屈服后区具有Ｂｉｎｇｈａｍ流体 固体颗粒相互作用所构成的链状结构阻碍了剪切流 的特性。磁流变液本身基本反映了作为Ｂｉｎｇｈａｍ流体 动。同时也提到了与电流变现象相类似的“磁流变液”。 的各种特性，但实际上存在剪切致稀和磁饱和等更为 现在普遍公认的最早关于磁流变液的工作始于Ｒａｂ ｉ— 复杂的现象。磁流变液的密度与动力粘度随配比的不 ｎｏｗ。磁流变液的剪切屈服应力比电流变液大一个数 同而变化，其密度的变化与液体动力粘度的变化成正 量级，且磁流变液具有良好动力学和温度稳定性，因而 比，而液体运动粘度则保持不变。在磁场的作用下，磁 磁流变液近年来受到了广泛关注。随着磁流变液性能 流变液的屈服强度发生变化，液体的粘度也发生变化， 的提高和研究工作的深入，磁流变技术开始应用于航 这是磁流变液所特有的性质。当剪切屈服强度呈指数 空航天、机械工程、汽车工程、精密加工工程、控制工程 变化，其粘度也呈数量级增加。 等领域。可以预测，在未来的几十年里，这种优良的智 ３磁流变液本构模型的比较 能材料将引起工业技术上的巨大变革，磁流变液与磁 ３．１ Ｂｉｎｇｈａｍ模型 流变器件具有很大的市场前景。 简单的Ｂｉｎｇｈａｍ粘塑性模型对于描述磁流变液 １磁流变液的构成 在磁场中流变本质的特性是非常有效的。在这个模型 磁流变液一般由三部分构成：铁磁性易磁化固体 中，总的剪切应力丁为： 颗粒，载液油和稳定剂。磁性固体颗粒一般用球形金属 丁＝丁０（Ｈ）ｓｇｎ（Ｔ）＋ｒ／Ｔ。 （１） 及铁氧体磁性材料ｆ颗粒尺寸范围为５ｌｘｍ～５０ｔｌ，ｍ）。而 式中：日是外加磁场强度； 是外加磁场引起的屈服应 作为连续载体的载液油一般是非磁性能良好的油，如 力；田是零磁场时液体的粘度；ｙ是切应变速率。 矿物油、硅油、合成油等。好的载液具有低的零场粘度， ３．２双粘度模型 高的温度稳定性，不污染环境等特性。稳定剂是用来确 Ｂｉｎｇｈａｍ模型虽然简单易用，但却无法对磁流变 保颗粒悬浮于液体中。与磁流变液相关的稳定性有团 液的屈服过程进行描述，它不能反映出磁流变液在屈 聚稳定性和沉降稳定性，前者阻止颗粒粘结在一起， 服前区的流体特性。为此。可以用双粘度模型来对 而后者确保颗粒随时间推移不往下沉淀。稳定剂必须 Ｂｉｎｇｈａｍ模型进行拓展。磁流变液的双粘度模型可以 有特殊的分子结构，一端有一个对磁性颗粒界面产生 表示为： 高度亲和力的钉扎功能团，另一端还需一个极易分散 于某种基液中去的适当长度的弹性基团。 作者简介：裴畅贵，男，１９７８年生，中北大学在读硕士研究生，助教。 ・２４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期（总第９５期） 机械管理开发 ２００７年４月 下：一ｌ｛’ －７＋ ：叼・ ， ｌ ｌｌ下ｌ二ｌ ｌ＜ ＴＢ （２） 、 的现象。因此可以用Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ粘塑性模型来 描述这种现象。在Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ模型中，认为磁流 变液屈服后的粘度是一个取决于剪切应变率的幂次方 模型。而不是Ｂｉｎｇｈａｍ模型中的常数，所以 式中： 为在外加磁场作用下磁流变液的表观粘度；ｒ／ 为磁流变液母液的粘度；下 为双粘度模型退化为Ｂｉｎｇ— ｈａｍ模型时的屈服应力，下 是动态屈服应力，它是磁场 强度Ｂ的函数，可表示为： ＴＢ＝ａＢ 。 （３） 下＝［下。（ ＋Ｋ ｌ ｌ ］ｓｇｎ（＇ｙ） 式。Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｖ模型中的当量粘度为： （４） 式中：ｍ、Ｋ是流体常数。且ｍ＞０、Ｋ＞０。比较（１）式与（２） ７／＝Ｋｆ ｆ‘ ” （５） 式中：ａ，ｂ是取决于磁流变液材料的两个常数，其值可 （５）式表明，当ｍ＞ｌ（剪切致稀）时当量粘度叼随着剪切 由实验确定。 磁流变液的双粘度模型表明，在零磁场强度下屈 应变率 的增大而减小；Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ模型也可以 用来描述ｍ＜ｌ时流体的剪切增稠现象。而当ｍ＝ｌ，卵 服应力为零，磁流变液呈牛顿流体特性。在外加磁场作 用下，当剪切应力的绝对值ｆ下ｆ处在小于ＴＢ的磁场空 时。Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ模型就变成了Ｂｉｎｇｈａｍ模型。 参考文献 间内时，磁性颗粒被磁化，形成链状结构，此时磁流变 【１］汪建晓，孟光．流变性能【Ｊ］机械强度，２００１，２３（１）：５０￣５６． 液以很大的有限粘度叩月作非常缓慢的流动。当剪切应 ｆ２】黄豪彩，黄宜坚．磁流变液特性分析与实验研究【Ｊ］．制造技 力绝对值ｌ下ｌ处在大于７－ 的磁场空间内时，磁流变液 术与机床，２００３，４８９（４）：２４￣２６． 以粘度卵流动。 【３］关新春，李金海，欧进萍．磁流液研究ｆＪ］．功能材料与器件 ３．３ Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ模型 学报，２００４，１０（ ）：１ １５￣１ １９． 『４］杨仕清，张万里．磁流变液的流变学性质研究［Ｊ］．功能材料， 在Ｂｉｎｇｈａｍ模型中。磁流变液屈服后的粘度是假 １９９８，２９（５）：５５０￣５５２． 定为常数的。但在实际情况中，磁流变液存在剪切致稀 （收稿日期：２００６—１２—２５） Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ｍａｇｎｅｔｏ—ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ Ｐｅｉ Ｃｈａｎｇｇｕｉ Ｇｕｏ Ｚｈａｎｇｘｉａ ｆＩｎｓｔｉｔｕｄｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５ １，Ｓｈａｎｘｉ Ｃｈｉｎａ） ［ＡｂｓｔｒａｃｔＪ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｌｕｉｄｓ（ＭＲｎａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ Ｍａｇｎｅｔｏ—ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｌｆｕｉｄｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌｓ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍａｔｅｉｒａｌ （上接第２３页） 转。吹散上隅角积聚的瓦斯［１］。 速。可达１ ７５０ ｒ／ｍｉｎ；风量７ ０００ ｍ３／ｈ，完全能达到现 ２瓦斯抽排方式为内抽 场工况要求。在上隅角区域即端头支架至煤墙、支架 将风机放置在上隅角的中心位置。沿回风巷外侧 前１ Ｉｎ至老塘的立体空间。体积约５ Ｉｎ。。瓦斯排放装 煤壁布置１０ ｉｎ的风筒。如图２所示该布置方式是将 置投入现场应用。当上隅角瓦斯浓度达到报警浓度时， 风机置于上隅角．缺点是不便于安装维护。但风筒采用 装置自动投入运行．在５ Ｓ内将上隅角内积聚的瓦斯 正压风筒。容易布置。移动维护较方便。 迅速稀释排放。当瓦斯浓度达到１％以下时，装置自动 ３工业性实验及其效果 停止工作。经过实验和运行后证明，效果理想，是上隅 该装置于２００６年５月在山西潞安矿务局常村煤 角瓦斯排放的理想设备。 矿进行工业实验。在瓦斯不超限的情况下，液压风机处 参考文献 于不工作状态。当瓦斯浓度超过设定值时。风机工作， 【１］王岩森．采煤工作面上隅角瓦斯积聚成因分析及治理措施 转速１ ４３４ ｒ／ｍｉｎ：风量５ ７３２ ｍ３／ｈ。风机经过节流阀调 ｆＪ］．能源技术与管理，２００５（４）：１７￣１９． ． ’ （收稿日期：２００６—０８—２８）（修回日期：２００７—０１—１０） ． 、 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ Ｄｅａｌ ｗｉｔｈ Ｇａｓ ｉｎ Ｕｐｐｅｒ Ｃｏｒｎｅｒ Ｈｕａｎｇ Ｌｅｉ Ｋｏｕ Ｚｉｍｉｎｇ （Ｍｅｅｈａｎｉｅａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｉｎ ｕｐｐｅｒ ｃｏｒｕｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｄｖａｎｃｅｓ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇａｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｃｏｒｎｅｒ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｕｐｐｅｒ ｃｏｒｎｅｒ；Ｇａｓ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆａｎ ・２５・
