磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔的反平面断裂问题

针对反平面剪切力作用下,磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔口的断裂问题进行了深入地探索。基于线弹性断裂理论和Riemann-Schwarz解析延拓定理,利用复变函数方法和留数定理,通过构造合适的数值保角映射函数,将解析函数边值问题转化为柯西积分方程组进行解答,获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端断裂力学参数的显式表达式。通过与已有结果的对比,验证了方法的有效性。利用数值算例描述了孔洞尺寸、四条裂纹长度和机–电–磁载荷等因素对裂纹扩展参数的影响规律。结果表明:水平右裂纹对孔口裂纹扩展影响更显著;垂直裂纹影响水平裂纹的扩展趋势;在磁电非渗透边界条件下,随着机械载荷的增大,裂纹尖端的应力强度因子变大,而电载荷和磁载荷对裂纹的扩展与机械载荷的大小和方向密切相关。该分析方法为求解复杂多连通域的智能复合材料问题提供了一条有效途径,研究成果为含裂纹的复合材料或结构的优化设计提供了科学依据。

导电矩形薄板的磁弹性超谐-内联合共振

研究横向磁场中矩形薄板在外激励作用下的超谐波共振和1∶3内共振的联合共振问题。针对一边固定三边简支的矩形薄板,利用Galerkin积分法得到两自由度非线性振动微分方程组。采用多尺度法求解,得到前两阶模态的幅频响应方程组。通过算例,得到系统发生超谐-内联合共振时前两阶响应幅值与各参数关系的曲线图,讨论了外激励幅值、磁场强度等参数对系统振动的影响。结果表明,考虑内共振时高阶模态被间接激发,系统存在着能量的交换,调节磁场强度可控制系统的共振。

磁流变弹性体及其振动控制应用综述

磁流变弹性体是将磁性颗粒(微米级)分散到聚合物弹性体中制备而成的一种磁控智能材料,其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性,还具备迅速、连续且可逆的磁控特性,在智能传感、电磁屏蔽及缓冲减振等领域具有广泛的前景。为了促进磁流变弹性体及其振动控制技术的发展,综述了磁流变弹性体的材料组成,制备方法。总结了磁流变弹性体在振动控制领域的应用现状及对应用前景进行了展望。

磁电弹性材料含正六边形纳米缺陷的表面效应研究

在磁电弹性材料断裂力学框架下,利用表面弹性理论和解析函数边值理论,解析研究了反平面机械载荷、面内电载荷和磁载荷耦合作用下磁电弹性体中正六边形孔边均布六条等长裂纹的Ⅲ型断裂力学问题,确定了考虑表面效应时纳米尺寸裂纹问题的精确解.基于以上解析解,通过数值算例揭示了表面效应、缺陷几何参数及所施加的损坏载荷分别在两种理想裂纹面电磁条件假设下对断裂参数的影响规律.研究发现:考虑表面效应时影响裂纹扩展的因素与经典弹性理论解答明显不同.各个物理分量呈现出显著的尺寸依赖效应,但随着缺陷尺寸的增加,表面效应的影响呈下降趋势,并趋于经典弹性理论值.研究可为该材料应用于微纳米结构和微机电系统提供理论指导.

铁粉含量对磁流变弹性体滞回特性的影响及参数模型研究

制备了铁粉含量分别为30%、45%、60%、75%的磁流变弹性体(MREs)样品,通过试验分析了铁粉含量对MREs静态和动态性能的影响。结果表明,随着铁粉含量增加,材料拉伸强度和断裂伸长率呈负相关,过高含量会导致机械性能下降。在阻尼滞回性能方面,随着铁粉含量增加,材料的最大阻尼力、等效刚度、储能模量和耗散能显著提高,呈现明显的非线性趋势;加载频率对材料性能影响呈现复杂的非线性和耦合效应。文中采用Bouc-Wen模型并结合遗传算法,对材料非线性滞回特性进行了参数识别,取得了良好的拟合效果。综合分析发现,60%铁粉含量试样在不同工况下展现出优异的阻尼耗能性能。研究结果揭示了铁粉含量与MREs性能的相关性,为MREs的开发和优化提供了理论依据。

磁电弹性体中正三角形孔口快速传播裂纹问题分析

目的探索含运动缺陷的磁电弹性材料的力学性能和断裂机理。方法基于磁电弹性材料断裂理论和广义复变函数理论展开力学行为研究,通过作伽利略变换,将磁电弹性材料的断裂问题转化为稳定裂纹动力学问题进行解答。结果获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端处动态应力强度因子以及机械应变能释放率的解析表达式。结论磁电弹性材料损伤、断裂现象的发生不仅受缺陷的几何参数和损坏载荷的影响,还与缺陷的运动速度有密切关系。

面向软体机器人的磁流变弹性体变刚度模型研究

软体机器人在柔性抓取时存在手爪刚度单一不足的情况,而且磁流变弹性体的变刚度范围有限,本文提出了一种变刚度范围大的磁流变弹性体模型。在磁流变效应基础上设计了一种以磁流变弹性体为主体材料的“菱形”变刚度模型,并给出了3D打印模型与铸造技术工艺。通过电磁铁产生的磁场,构建了一种磁-力耦合模型,分析了“菱形”变刚度模型主要刚度变化关系,探索了影响模型变刚度的因素。通过建立的实验平台,结果表明:本文提出的“菱形”模型可以大幅提高磁流变弹性体的变刚度范围,并且可以实现通过控制电流大小来控制模型的刚度大小,含有3个“菱形”结构的模型在磁场下刚度变化的百分比可以高达约58%,可使磁流变弹性体作为类“皮肤”应用在软体机器人手爪上。

具有智能蒙皮潜质的磁流变弹性体磁力学特性

变体飞机的难点之一在于变形机翼,而变形机翼的难点之一在于变形蒙皮,其中后者的研究难度长期以来被忽视。以往很多变形翼蒙皮的研究与设计中,一般更加关注基于力学特征的智能材料。本文从变体结构中的变形蒙皮特性与需求出发,简述了变形蒙皮的研究进展,论述了磁流变弹性体(MRE)的概念、材料组成以及功能等内容,以及磁流变弹性体磁力学的相关表征。

各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型

各向同性磁流变弹性体是一种将磁性颗粒随机掺入到聚合物基体中制备而成的智能材料。在磁场作用下,其模量发生快速、可逆、连续变化,在振动控制领域显示出良好的应用前景。实验结果表明,各向同性磁流变弹性体的动态力学行为具有很强的频率、应变幅值和磁场相关性。尽管上述行为对于其潜在应用具有重要的影响,但目前关于各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的理论研究则关注不够。为准确评价各向同性磁流变弹性体的动态力磁耦合行为,并指导其相关产品的设计,本文建立了一个基于连续介质力学理论,反映各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的本构模型。随后,开发了和本构模型对应的数值实现算法,并对模型的预测能力进行了验证。该模型有助于深入理解各向同性磁流变弹性体磁相关非线性动态力学行为的潜在力学机制。此外,该模型有助于指导基于各向同性磁流变弹性体产品的设计和应用。

基于磁流变弹性体动力吸振器的掘进装备振动控制

针对掘进装备在自适应截割控制下的截割部宽减振问题,基于磁流变弹性体的动力吸振技术,提出了一种掘进装备截割部的振动控制方法。首先,以连续采煤机为研究对象,根据动量矩定理,建立了截割部-磁流变弹性体动力吸振器(MREDVA)耦合动力学模型,从理论上分析了MREDVA的减振机理;然后,为保证MREDVA的磁路以及移频特性满足需求,详细阐述了MREDVA的设计流程,提出了一种新的MREDVA结构,对其磁场和移频特性进行了仿真验证;最后,计算了不同截割状态下MREDVA对截割部的振动抑制能力,并建立了半主动控制方法,比较了被动和半主动振动控制方法下MREDVA的振动抑制能力。研究结果表明:对于所选煤层1和煤层2,截割部的振幅衰减分别达到41.53%和49.80%;对于所选煤层3,半主动控制下截割部振幅衰减可以达到45.10%。该方法可以有效降低掘进装备在宽频激励下的振动幅度。

磁电弹性材料中圆弧形裂纹的反平面断裂问题

利用广义复变函数理论和保角映射技术,研究磁电弹性复合材料中圆弧形裂纹在无穷远处受到沿磁电极化方向的磁/电载荷和反平面机械载荷的共同作用下的反平面问题,给出应力场及位移场的精确解析解,并获得在磁电全非渗透及全渗透边界条件下圆弧裂纹尖端场强度因子和能量释放率的解析解。基于数值解进行数值分析,由数值结果表明:控制圆弧形裂纹半弦长与弓高比值的减少,可以提高材料的可靠性能;在两种边界条件下,机械载荷的不断增加最终会促进裂纹的扩展;在磁电全渗透边界条件下,裂纹扩展不受磁/电载荷的影响,但与材料常数和机械载荷的大小水平有关;在磁电全非渗透边界条件下,正(负)磁/电载荷的增加会阻碍裂纹扩展。

磁电弹性材料含纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的反平面问题

基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和磁电弹性(MEE)理论,利用解析函数的保角映射技术,研究了反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下,MEE材料中含有纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的断裂行为,给出了缺陷(裂纹和唇口孔)周围广义MEE应力场和裂纹尖端MEE场强度因子以及能量释放率的解析解.在特殊条件下,所得结果退化为已有结果或者给出新的结果.数值算例揭示了缺陷表面效应对裂纹尖端MEE场强度因子的影响与纳米圆孔半径、唇口孔的大小、唇口次生裂纹大小,以及外加的机-电-磁载荷有关,也揭示了考虑表面效应时,无量纲能量释放率随唇口宽度、无穷远处机械载荷、电载荷和磁载荷的变化而变化.

Fe_(1.33)Mn_(0.67)P_(0.67)Si_(0.33)化合物在磁弹性耦合相变过程中的磁矩演变

Fe_(1.33)Mn_(0.67)P_(0.67)Si_(0.33)是一种基于Fe_(2)P结构的化合物,是具有巨磁热效应的优秀磁制冷材料。利用第一性原理密度泛函理论,结合投影缀加波法研究了Fe_(1.33)Mn_(0.67)P_(0.67)Si_(0.33)化合物的磁性。发现在磁相变过程中,体系内金属原子的局域磁矩随c/a产生了不同趋势和程度的变化。在顺磁态转变为铁磁态的过程中,由于Fe_(1.33)Mn_(0.67)P_(0.67)Si_(0.33)的富Fe结构,使得占据3f位置并与3g-Fe为最近邻原子对的Fe原子,其局域磁矩向与整体磁性相反的方向演变,说明富Fe结构对3f-Fe原子磁矩产生了一定影响。最后通过对比化合物的电子态密度、差分电荷密度以及电子自旋密度随c/a的变化,得到了占据3g位置的Fe原子和Mn原子的局域磁矩在相变过程中的重要作用。

便携式磁弹性传感器检测仪设计

针对现有的磁弹性传感检测设备存在的测量误差大、抗干扰能力弱及设备笨重、携带不方便等缺点,结合现在飞速发展的Android移动平台,以安卓手机和STM32F407VET6处理器为核心部件,设计了一款新型便携式磁弹性传感器检测仪。便携式磁弹性传感器下位机主要采用的是STM32F407VET6单片机,通过检测共振引发的线圈内阻抗变化完成测量;利用Android手机作为上位机,基于手机蓝牙和自主设计的手机APP软件,完成对施加激励交变磁场而引起的线圈内阻抗变化值的识别和测量,将测量的数据结果进行图形化显示。实验研究表明,便携式磁弹性传感器检测仪结构设计合理,硬件电路设计以及软件图形处理方案正确,实用性以及有效性方面有了很大的提高。

多级线圈驱动的磁流变弹性体夹层梁结构设计与实验

梁结构存在于建筑桥梁、飞机壁板等多种工程中,由于其低刚度、低阻尼特性,易产生低频大幅振动,造成结构疲劳损伤甚至破坏。针对传统夹层梁的结构参数固定、自适应性差等问题,提出基于磁流变弹性体的磁控智能夹层梁结构,能够在磁场作用下根据外界激励的变化,自适应调整结构的刚度和阻尼,实现振动的有效抑制。首先,针对传统夹层梁磁场施加困难、在空气中磁场衰减大等问题,提出内置多级线圈驱动的磁控夹层梁结构;其次,基于磁流变弹性体材料特性,分析了器件减振机理。最后,通过COMSOL仿真对磁控夹层梁进行磁场仿真,发现在3 A电流的作用下夹层梁的一阶固有频率由6.22 Hz变为9.16 Hz,阻尼比增大64.4%,验证了磁流变弹性体夹层梁的变刚度、变阻尼特性。通过多个频率激励实验验证了内置多级线圈驱动的磁控夹层梁的宽频隔振性能。

基于机器学习的磁流变弹性体磁致储能模量的快速准确表征

磁流变弹性体在振动控制领域展现出巨大的潜力,但其磁致力学性能的测量过程往往需投入较高的人工与时间成本.本研究旨在利用机器学习方法在小样本试验数据驱动下实现磁流变弹性体磁致力学性能的快速准确预测.基于加装可控磁场的剪切流变仪测试了磁流变弹性体(9种配比,4种加载频率)的磁致储能模量.每种样品取5个测试点作为训练集并搭建支持向量回归机器学习模型,从而表征磁流变弹性体的磁致储能模量.结果表明,相较于典型的理论模型,SVR模型仅使用5个样本点即可更准确表征磁流变弹性体磁致储能模量,相关系数高达0.998.另外,SVR模型训练时间仅为0.02 s,可显著加速磁流变弹性体表征的进程.更重要的是,SVR模型具有良好的泛化性,对于不同硅油配比和不同加载频率的磁流变弹性体预测结果的相关系数仍可达0.998以上.因此,机器学习模型可实现磁流变弹性体磁致储能模量的快速准确表征,为新型磁流变材料的研发提供参考.

磁性功能梯度圆柱壳磁热弹性超谐波共振研究

研究温度场和磁场中功能梯度(functionally graded, FG)圆柱薄壳1∶3阶超谐波共振问题。针对金属-陶瓷FG圆柱薄壳,采用热传导方程表征一维温度场沿壳体厚度分布特性;结合热弹性理论,并考虑几何非线性,确定了壳体物理中面下的本构关系;基于磁弹性理论,建立磁场环境下壳体所受洛伦兹力和磁化力模型。应用哈密顿变分原理推得磁热弹耦合非线性振动方程。利用伽辽金积分法得到两端简支FG圆柱薄壳的无量纲化非线性振动微分方程,确定了由静磁力和热内力所产生的静挠度特征方程。应用多尺度法对系统的1∶3阶超谐波共振问题进行近似解析求解,得到系统稳态运动下的幅频响应方程,并应用李雅普诺夫稳定性理论对稳态解进行稳定性分析。通过数值算例,得到不同物理和几何参数影响下系统的共振幅值变化曲线图、动相轨迹图及多值解的区域划分图。结果表明:系统体现为硬弹簧特性;增大激励力幅值、陶瓷侧温度,临界多值解的分岔点右移,共振区域变大;增大磁场强度,稳定解振幅减小。

磁弹性生物传感器在食品检测中的研究进展

对引起食品安全问题的主要污染物,如食源性病原体、重金属残留、农药/兽药残留等进行快速而有效的检测是减少食品安全事故发生的重要监控点,高效、灵敏和准确的检测方法对食品检测领域意义重大。近年来,磁弹性生物传感器由于其无毒、低成本、便携、高灵敏度、高准确性和特异性以及可与无线网络连接等特点逐渐成为研究热点。该文主要介绍磁弹性生物传感器的工作原理及其在食品检测应用中的研究进展,以期为食品检测领域提供新思路。

单晶SiC磁流变弹性抛光垫的磁控抛光性能研究

将智能可控材料磁流变弹性体(MRE)作为化学机械抛光中的抛光垫,研究不同磁控参数(颗粒类型、颗粒质量分数、颗粒粒径、固化磁场强度)的MRE抛光垫对单晶SiC的磁控抛光效果,并分析MRE抛光垫的磁控材料去除机制。结果表明:相比四氧化三铁磁性颗粒,羰基铁粉(CIP)磁性颗粒制备的MRE抛光垫,在抛光SiC时材料去除率(MRR)提高了52.2%;CIP质量分数越大,抛光的MRR越大,表面粗糙度越小,抛光的表面质量越好,因为CIP质量分数高时具有更大的材料模量和更多的CIP颗粒接触;不同磁性颗粒粒径的MRE抛光垫磁控抛光效果差异并不大,粒径通过颗粒的大小和接触概率影响着抛光加工的去除效果,这和表面的接触状态有关;相比各向同性MRE,施加固化磁场制备的各向异性MRE能获得更好的磁控抛光效果;在固化磁场为140 mT时制备的MRE抛光垫具有最好的抛光效果,其在抛光磁场为335 mT的条件下,可使SiC的MRR相比无磁场抛光时提升31.0%,表面粗糙度下降50.0%。MRE抛光垫磁控抛光材料的去除机制为,外加磁场增加了MRE抛光垫的机械力学性能,磨料对SiC表面具有更大的切削力和正压力,从而能够获得更大的材料去除。

基于Android移动终端的双通道磁弹性免疫传感装置

传统检测仪器昂贵且上手难度大,不仅提高了微机电检测系统的操作门槛,而且极大地限制了其使用场合和适用人群,磁弹性传感器正是面临这种难题的微机电系统之一。为了解决这一问题,应用STM32F407作为硬件系统的主控芯片,联合Android移动开发技术设计了一种基于Android移动终端的双通道磁弹性免疫传感装置。用Metglas合金2826制成的同参数磁弹性传感器对D-二聚体进行分析,实验结果表明,基于Android移动终端的免疫传感设备不仅可以得到与传统检测仪器———矢量网络分析仪3656A相当的结果。其能够在0.25μg/mL到2.5μg/mL对D-二聚体进行检测,检测限可达45 ng/mL,并且具有低成本、低功耗、便携和对用户友好的优势,有发展成为新一代家庭健康检测设备的潜力。