适用于力反馈的圆筒式磁流变液执行器的设计

力/触觉反馈是虚拟现实交互技术中一种重要的交互形式。磁流变液执行器是最具发展潜力的力/触觉反馈装置。提出了一种适用于手指力反馈的便携式圆筒磁流变液执行器的设计方法,导出了基于B ingham塑性模型的阻力矩公式,分析了磁流变液特性和执行器结构参数对阻力矩的影响,并通过有限元分析进行优化设计,执行器的直径为31 mm,高度为38 mm,重200 g。实验测定了阻力矩和输入电流之间的关系,并采用二次多项式拟合。输入电流为0.6 A时,执行器产生的阻力矩为255 N.mm,结果表明,该执行器产生的阻力矩足以阻止手指抓取虚拟物体。

磁流变复合液压执行器及其效率研究

介绍了一种可同时实现定位(驱动)与可控阻尼的磁流变复合液压执行器的原理及系统结构,研究了在入口压力较高时磁流变阀不可能完全理想关闭情况下桥式磁流变阀路的效率问题,建立了基于桥式磁流变阀路的磁流变复合液压执行器定位(驱动)时的效率模型。

适用于力反馈的三圆盘磁流变液执行器工作机理及建模

为了提高磁流变液执行器力学模型的精度,建立了适用于电流随机变化且包含磁滞特性的三圆盘磁流变液执行器的分段线性力矩-电流模型.分析了执行器的工作原理,推导了基于Bingham塑性模型的力矩公式.磁路由铁磁物质和磁流变液组成,说明了这2种物质的磁特性,分析了铁磁物质中存在磁滞以及在磁流变液中观察不到磁滞的原因.铁磁物质的磁滞特性影响了执行器的力矩-电流特性,实验表明力矩和电流之间存在磁滞.当电流变化过程为0-1.2-0 A时,不包含磁滞特性的二次多项式模型的残余标准差分别为8.2和11.2 N.mm,分段线性模型的残余标准差分别为5.9和6.2 N.mm,分段线性模型的精度比较高.

磁流变液执行器分段线性力矩-电流模型研究

磁流变液执行器通过控制输入电流控制输出力矩，精确地确定输出力矩和输入电流之间的关系是关键。提出了一种新的包含磁滞特性的分段线性力矩-电流模型，导出了基于Bingham塑性模型的圆筒式磁流变液执行器的力矩公式，研究了铁磁物质和磁流变液的磁特性。实验表明磁流变液执行器的力矩和电流之间存在磁滞，二次多项式模型、分段线性模型和实验数据比较的结果证明了分段线性模型的有效性。

结合布朗力与范德华力的磁流变液沉降模拟

为提升磁流变液沉降稳定性的研究效率,改善只能通过实验检测磁流变液沉降性能的现状,本文通过动力学方法模拟磁性颗粒的微观力学模型,提出了无磁场条件下的磁流变液沉降模拟方法,并以基于电感的沉降检测实验验证了模拟方法的有效性。磁流变液的沉降过程是在无磁场环境下进行的,因此,文章在磁场条件下磁流变液微观力学模型的基础上,引入布朗力与范德华力的作用,去除了磁场对磁性颗粒的影响,并提出了考虑布朗力与范德华力的磁流变液沉降模拟方法;将磁流变液的各项参数代入到前文提出的磁流变液沉降模拟方法中,并与基于电感的磁流变液沉降检测实验数据进行对比,以验证所提方法的有效性。结果表明,引入布朗力与范德华力的磁流变液沉降模拟方法可以较为准确地预测磁流变液的沉降速率,有效解决当前磁流变液沉降稳定性研究耗时较长的缺点。

磁流变液剪切屈服应力模型的建立

基于磁偶极子理论和相邻链之间的影响,建立磁流变液的双链偶极子微观结构模型,从磁偶极子能量的角度推导了磁流变液的剪切屈服应力方程,采用双链偶极子模型模拟得到剪切角对剪切力的影响;采用双链偶极子模型计算不同质量分数(40%~70%)羰基铁粉磁流变液的剪切屈服应力,分析了磁性颗粒质量分数对磁流变液剪切屈服应力的影响,并与单链偶极子模型计算结果和试验结果进行对比。结果表明:采用双链偶极子模型模拟得到磁流变液的剪切力随着剪切角的增大基本呈先增后减的趋势,在剪切角为15°时达到最大;由单链偶极子模型、双链偶极子模型计算和试验得到的磁流变液剪切屈服应力均随羰基铁粉质量分数的增加而增大,单链偶极子模型和双链偶极子模型计算结果的平均相对误差分别为97.51%和29.58%,双链偶极子模型能较准确地模拟计算磁流变液在工作磁场下的剪切屈服应力。

双分散磁流变液稳定性与磁流变特性研究进展

磁流变液作为一种兼具磁性和流动性的智能流体,已在众多领域得到广泛应用。双分散磁流变液具有极佳的沉降稳定性、再分散能力和磁流变特性,是未来磁流变液最由前途的发展方向之一。结合近年来研究进展,重点介绍了双分散磁流变液的稳定化机制,并基于微观结构演变、实验影响因素和本构力学模型对双分散磁流变液磁流变特性进行了综述。最后,对双分散磁流变液的工业应用提出展望。

纳米复合磁流变液制备与流变特性研究

利用纳米磁流体作为磁流变液的基础载液是提高磁流变效应的有效手段。然而,高稳定纳米复合磁流变液的制备仍然是一大难题,包括纳米磁流体的制备与复合颗粒的团聚问题。研究以硅烷偶联剂KH550为分散剂,制备了Fe_(3)O_(4)硅油基纳米磁流体,并通过分散剂共包覆工艺得到了新型纳米复合磁流变液。利用XRD、FI-IR、TEM、FE-SEM、VSM等手段对表面形貌、物相构成和磁性能进行了表征分析。研究了新型纳米复合磁流变液沉降稳定性和再分散性。结果表明,微米级颗粒的表面改性明显改善了纳米复合磁流变液的稳定性与再分散性,当纳米颗粒体积分数为8%时,沉降稳定性和再分散性达到最佳;新型纳米复合磁流变液表现出更佳的耐温性能,可在-40~120℃的温度范围内长期稳定。研究了新型纳米复合磁流变液的流变特性。结果表明,与传统磁流变液相比,纳米复合磁流变液表现出更高的离态粘度和磁流变效应,静态屈服应力和动态屈服应力均随纳米颗粒浓度和磁场强度的增大而增大。

基于数字孪生的磁流变液延时机构延迟解除隔离时间降阶模型

为建立满足实时性要求的磁流变液延时机构数字孪生体,针对传统流场仿真计算比较复杂耗时的问题,构建了该机构流体域降阶模型以实现其延时性能的快速计算。利用磁流变液延时机构流体域有限元全阶模型的参数化仿真作为样本数据,在DOE实验设计的基础上采用响应面法完成了流体域降阶模型建立,并结合有限元全阶模型仿真及高速旋转等效试验验证了降阶模型的精度及其可行性。结果表明传统流场与降阶模型仿真结果趋势相同,在检验工况中两者误差在5%以内,但降阶模型的仿真速度是流场仿真的100倍,即降阶模型可以在保证磁流变液延时机构模型求解精度的同时提高求解效率。

大功率磁流变液制动装置设计及其性能研究

为研究磁流变液在大功率制动装置中的制动性能及挤压强化特性,首先,对盘式磁流变液制动装置动力传递模型进行了理论分析,在此基础上,设计了一款大功率轴向挤压强化磁流变液制动装置;其次,搭建了磁流变液制动装置性能测试实验系统,并对实验系统进行了详细介绍;最后,开展了制动装置性能和磁流变液轴向挤压强化特性实验研究,并通过实验获取了所设计的大功率挤压强化磁流变液制动装置具有灵敏的电流调节特性、良好的磁属性和稳定的制动转矩特性;制动转矩随轴向挤压压强增加近似线性增长,在最大轴向挤压压强和电流强度作用下,制动转矩增加了96.7%。研究表明,所设计的大功率挤压强化磁流变液制动装置具有优良的力学特性,轴向挤压强化技术的集成融入可以有效提升磁流变液传动设备的动力传递性能。该研究为大功率磁流变液传动装置的设计开发提供了参考依据。

多圆弧式磁流变液传动性能研究

针对磁流变液传动装置传动转矩小的缺点,提出一种多圆弧式磁流变液传动结构。通过有限元法对传动装置磁场进行分析,得到圆弧半径和励磁线圈电流对传动装置磁场强度影响;通过对比多圆弧式和圆筒式工作间隙的磁场强度,得出传动装置磁场强度与轴向距离的关系;建立多圆弧式磁流变液传动转矩与圆弧半径、剪切屈服应力、角速度等的数学关系。结果表明:圆弧半径对传动装置磁场强度影响显著,圆弧半径越大,磁场强度分布越不均匀;传动装置转矩随着励磁线圈电流的增大而增大;电流I=3 A时,多圆弧式磁流变液传动输出转矩为52.47 N·m,圆筒式为37.76 N·m,前者较后者提高了38.96%,提升效果显著。

磁流变液的剪切-挤压复合模式仿真分析研究

磁流变液是一种由铁磁性颗粒分散于载液中所形成的新型智能材料,其流变特性随外加磁场变化,且此响应过程为毫秒级,在汽车工业上有广阔的应用前景,如阻尼器、制动器等。本文为研究磁流变液在剪切-挤压复合模式作用下的力学性能,建立了可旋转和平移的圆盘2D模型,通过Comsol进行了瞬态和稳态仿真,分析了复合模式边界条件的仿真设置。结果表明:在剪切-挤压复合模式下,圆盘角速度和平移速度的设置对复合模式的状态具有决定性影响,剪切-挤压复合模式通过边界条件的改变会表现为单一的剪切或挤压模式。若角速度过大,则复合模式会表现为剪切模式;若平移速度过大,则复合模式会表现为挤压模式。

一种磁流变弹性体执行器的联合优化方法研究

磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)执行器作为智能减振应用系统的核心元件,其结构的优化是决定执行器性能上限及系统控制成效的关键。针对目前MRE执行器优化方法及理论研究欠缺的问题,文中面向一款横向隔振的MRE执行器,基于其机械结构和有效磁路,以优越磁控性能、低功耗和快速响应时间为优化目标,提出了一种新的MRE执行器联合参数优化方法。首先,基于MATLAB和COMSOL的联合仿真,将遗传优化算法和电磁有限元分析方法进行有效结合,实现对MRE执行器的优化编程;其次,完成对器件的全局尺寸结构优化设计,使得器件具备优越磁控性能(526.21 mT)、低功耗(44.05 W)及快速响应(5.43 ms);最后,通过搭建测试系统对优化后装配的MRE执行器进行测试和评估,验证了文中优化方法的可行性和有效性。提出的联合优化方法不仅适用于MRE执行器结构,还可为多领域减/隔振应用的共性MRE器件优化设计提供理论参考。

一种新型引磁式磁流变阻尼器研究

针对特定结构限制下磁流变阻尼器工作性能的优化问题,在传统磁流变阻尼器的基础上设计了一种新型引磁式磁流变阻尼器,建立了磁场与流场耦合动力学模型;以输出阻尼力和动态可调系数为优目标函数,基于多目标遗传算法对该型磁流变阻尼器内部活塞进行了优化;建立了多物理场耦合模型并进行了仿真和冲击试验。仿真结果表明:在相同外形尺寸条件下,新型磁流变阻尼器的有效阻尼通道长度为64 mm,相比普通磁流变阻尼器提高了60%;新型磁流变阻尼器的力学特性与动态可调性更加优越,当施加2.0 A电流、活塞运动速度为0.09 m/s时,新型磁流变阻尼器的输出阻尼力为55.9 kN,相比普通磁流变阻尼器(32.4 kN)提高了72.5%;施加不同大小电流时新型磁流变阻尼器的峰值压力与吸能容量均明显高于普通磁流变阻尼器。冲击试验结果表明:当施加2.0 A的电流、冲击速度为2.45 m/s时,相比普通磁流变阻尼器,其峰值压力达到11.64 MPa、峰值压力提高约41%。峰值压力试验结果与仿真结果对比表明:仿真结果和试验结果的趋势是一致的,其相对误差在0.1之内,表明了仿真模型的有效性。

基于最小二乘法和BP神经网络的磁流变阻尼器H-B模型参数辨识方法

针对Bingham模型磁流变阻尼器由于剪切稀化效应带来的阻尼力计算误差,在理论和仿真分析的基础上,提出一种最小二乘法和BP神经网络相结合的方法,对磁流变阻尼器H-B模型进行参数辨识,获得各参数与电流的关系,从而对磁流变阻尼器的阻尼力进行准确计算。最后通过磁流变阻尼器实验对理论方法进行验证。结果表明:借助于磁流变阻尼器的仿真分析,最小二乘法和BP神经网络相结合的磁流变阻尼器H-B模型参数辨识方法精确度高、吻合性好,验证了参数辨识结果的通用性及准确性。

磁流变液温度特性研究

主要配制了温度稳定性能优异的磁流变液,并分析温度对磁流变液悬浮相、载液和添加剂的影响,研究了磁流变液的粘度-温度特性,该磁流变液在20～100℃温度范围内粘度稳定性能优良。测试了该磁流变液的阻尼器在不同温度下施加不同电流时的阻尼力特性,并初步探讨了磁流变液阻尼力的温度衰减性能。

复合智能磁流变液的制备及流变性质研究

利用多元醇软化学方法制备了 Co- Ni超细颗粒 ,将 Co- Ni磁性颗粒与微孔材料通过粘结剂混合研磨 ,制得复合磁性颗粒 ,为了克服磁流变液的沉降稳定性 ,令复合磁性颗粒的密度等于载液的密度 ,各组分按此比例制备的 MRF具有较好的稳定性。利用旋转粘度计测试表明 ,无外场时 ,磁流变液的剪切应力 τ随剪切速率 γ变化的本构关系为 :τ=11.4γ0 .7,为一非牛顿液体。探讨了剪切应力和表观粘度系数随外加磁场和温度的变化关系 ,表明研制的 MRF的流变性质具有较高的低磁场敏感性质 ,并且具有较好的温度稳定性。

磁流变液的流变学性质研究

用球形羰基铁颗粒、硅油和油酸制备了磁流变液（MRF），该MRF不加外磁场时就呈现非牛顿性，MRF的剪切应力τ随剪切率γ的变化关系为一曲线，其表现粒度随剪切速率的增大而减小，在外磁场作用下，MRF的迅速增大两个数量级，MRF呈现一定的屈服应力τy＝94．7Pa，当τy后，MRF的流变特性满足Bingham模型。

一种磁流变液流变特性测试装置的研究

磁流变液 (Magnetorheological fluid)是一种新兴的智能材料 ,其流变特性可随外加磁场的变化而迅速改变。本文介绍了自行研制的一台专门用于磁流变液流变特性的测试装置 ,该装置能满足磁流变液流变性能测试中的特殊要求。使用该设备对重庆北碚材料研究所提供的一系列磁流变液试样进行了测试 。

磁流变液的屈服应力与温度效应

通常磁流变液的屈服应力大约比电流变液大一个数量级，磁流变液由于其具有较强的屈服应力而受到广泛的重视。我们用多畴的软磁材料同连续相一起充分混合获得的磁流变液，在３×１０５Ａ／ｍ的场强下静态屈服应力达到６０ｋＰａ以上，而其零场时的粘度仅为１５ｍＰａ．ｓ。本文报道了我们研制的拖板式磁流变仪的性能。同时，我们比较了几种磁流变液在零场下的沉淀性、以及外加磁场、屈服应力、温度、永磁材料、表面处理剂、添加剂和磁流变效应的关系。我们发现，磁流变效应主要由固相材料决定；表面处理剂可以改善固液界面的性质，并增强磁流变效应；不同的载液需不同的添加剂与其匹配；磁流变液的屈服应力对温度具有很好的稳定性。