基于Eyring本构模型的磁流变液阻尼器设计原理与试验研究

根据试验得出的Bingham塑性流体模型的模型参数,建立了磁流变液切应力的误差函数,利用多参数优化理论和数据拟合方法对Eyring本构模型的参数进行辨识。建立了基于Eyring模型的环状混合准稳态流动方程,得出了磁流变液在环形通道中流动的速度分布函数。在给定活塞速度和环形通道的几何尺寸条件下,对混合工作模式的汽车磁流变液阻尼器产生的阻尼力进行理论预测研究。按照长安之星微型汽车前悬架的技术要求,设计和制作了微型汽车磁流变液阻尼器,并对此进行了试验测试,试验结果表明:应用所提出的理论分析方法预测磁流变液阻尼器的特性是可行的。

磁流变阻尼器Bingham力学模型改进及参数辨识

磁流变阻尼器不仅具有阻尼快速响应、良好的温度稳定性、内部结构简单等优势,而且可以通过调节控制电流使阻尼器的出力值连续变化,实现阻尼力可控。由于磁流变阻尼器阻尼特性与内部磁流变液的磁流变效应有关,具体表现非常复杂,现有力学模型目精度不足,无法精确描述磁流变阻尼器的阻尼特性。在磁流变阻尼器力学性能测试基础上,应用分段拟合函数方法同时结合反正切函数模型改进模型,并辨识改进后力学模型中各参数。将改进后的Bingham模型与实际测试出力值进行对比,结果表明改进后的Bingham模型能够很好地解决Bingham力学模型在非线性滞回阶段出力值曲线与实际测试数据不符的问题,改进后模型总体出力值曲线与阻尼器实际出力值基本相同,模型精度大幅提升。此种改进方法为磁流变阻尼器建立高精度力学模型提供参考。

Waspaloy镍基合金高温流变应力及其本构模型构建

针对涡轮发动机涡轮叶片复杂应力状态下的时效变形问题,以涡轮叶片材料Waspaloy镍基合金为研究对象,开展Waspaloy镍基合金时效处理,完成时效态Waspaloy镍基合金600、700和750℃准静态高温力学拉伸试验。利用Ludwik和Hollomon经验公式预测Waspaloy镍基合金高温塑性段流变应力,引入平均误差(the mean error,E_(r))和均方根误差(root mean square error,RMSE)评价流变应力的预测准确度。结果表明,时效处理后合金的硬度得到有效提升,而其塑性性能有所降低。Waspaloy镍基合金的抗拉强度和延伸率在600~750℃区间范围内与加载温度呈负相关关系。Ludwik模型较Hollomon模型有更高的流变应力预测精度,而在高温高应变区域Ludwik模型预测流变应力仍存在较大误差。在Ludwik模型的基础上引入指数项,修正后的Ludwik模型能更好地预测Waspaloy镍基合金高温塑性段的流变应力。

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。

基于甘蔗耕地黏土离散元参数标定的流变模型构建

针对华南宿根甘蔗的耕地土壤因多级复合团聚显现的逐层异构黏重性,为表征其特异性流变行为,该研究通过重黏土的离散元参数标定,构建团粒几何、力学属性多层演变的非匀质耕层模型,进而分析仿生壁板的推进阻力。结合休止角与三轴压缩试验及仿真结果,JKR表面能、恢复系数与动摩擦因数是影响重黏土流变响应的显著因子,不同耕层间参数差异明显。蕴含团粒级配分布、本征接触属性与黏聚特性的离散元模型具有表征多耕层复合流变性能的能力,通过三轴力学试验验证得到的本构响应偏差低于9.27%。采用该模型计算出的仿生耕作壁板推进阻力与土槽实测推进阻力之间的相对误差仅8.3%,表明对机具—土料互作关系的预测有效且较准确。研究结果可为触土部件适应性设计与动力学优化提供数据支持和模型参考。

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。

基于颗粒破碎耗能的堆石料流变模型

由于堆石料流变的复杂性,现有的经验流变模型主要是根据流变试验结果,考虑围压和剪应力或其耦合效应的影响所建立,存在一定的随意性且存在参数多和物理意义不明确等问题。开展了红石岩堰塞料三轴压缩试验和流变变形试验,分析了流变过程中应变能与围压和应力水平的相关关系,得到了流变应变能的表达式;基于考虑颗粒破碎耗能的ROWE剪胀方程和流变过程中切线体积比保持不变的推论,推导得到了最终体积流变和剪切流变的表达式,所建立的模型可反映堆石料流变变形的机理。花岗岩堆石料、砂岩堆石料和砂砾料等其它堆石料的分析结果表明,提出的流变变形计算模型具有普适性。

基于改进流变元件模型的层状深厚覆盖层流变对面板坝结构性能影响的数值分析

在深厚覆盖层上建造面板堆石坝,除考虑水-土流固耦合外,还应考虑坝基流变的影响。为了更好地模拟坝基流变对大坝及渗控体系的真实受力,基于深厚覆盖层所呈现出的层状特性,首先改进新的流变元件模型H-KS以适应层状覆盖层,然后借助Comsol建立流变与流固耦合模型,最后按时间顺序计算了河口村面板坝各阶段的力学指标,分析了坝基流变对大坝及防渗体系的影响。结果表明:对于各向异性明显的层状坝基,采用H-KS流变模型能较好反映大坝各阶段的应力、变形和渗流实际情况,误差均在5%以内;计算结果相比不考虑流变的DuncanE-B模型,应力和变形均增大11.8%以上,部分增量对大坝结构的安全稳定造成影响;填筑期的沉降和应力总量占比达70%以上,但单位时间增量却较小,如沉降增量仅为0.015m/月;蓄水期的岩土体流变及流固耦合作用对大坝各部位强度和刚度影响最大,应力及沉降增长率分别为0.02MPa/月、0.038m/月;运行期的各指标增长率逐渐趋缓,最终趋于稳定,但变形和应力增量可能会导致主要结构失稳或破坏。混凝土面板-趾板-连接板-防渗墙是完整、有效的渗流控制体系,坝基流变导致防渗墙上部水平位移增大,整体强度降低;趾板和面板在中部有受弯破坏的趋势。层状岩土体流变具有时效性,该层状坝基的流变在蓄水后2~3a间基本完成,相应指标也趋于稳定。研究结果对层状覆盖层上的面板坝安全稳定体系的建立提供了理论支持。

耦合变密度地下水流降阶模型与高斯过程的蒙特卡罗模拟

变密度地下水流系统受水力梯度和密度梯度共同驱动,非线性强,数值模型计算量大,尤其在开展不确定性分析时需要的计算成本很高。常规的数据驱动机器学习方法只能对点监测信息进行模拟分析,不能模拟整个地下水流系统。本研究发展了变密度地下水流降阶模型,利用高斯过程模型对降阶模型的数值误差进行修正组成耦合模型。耦合模型既能克服高斯过程只能模拟有限监测点信息的缺陷,又能提高降阶模型对监测点信息的模拟精度。考虑二维剖面变密度地下水流案例,将渗透系数场设定为空间随机变量,采用基于全阶模型(FSMC)、降阶模型(ROMC)和耦合模型(GP-ROMC)3种蒙特卡罗模拟方法进行不确定分析。研究结果表明:(1)ROMC能替代FSMC开展不确定性分析;(2)水头和盐度的平均相对二范误差与降阶模型维度的关系可用指数函数描述(决定性系数R2≥0.99);(3)GP-ROMC对监测点信息的模拟精度比ROMC高,GP-ROMC可有效修正降阶模型误差提高蒙特卡罗模拟的精度。研究成果可为地下水建模、不确定性分析、风险评估及参数反演等工作提供重要技术支撑。

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。

国内外雪崩试验、流变模型与动力模拟进展综述

高海拔地区水电建设面临雪崩、冰崩等地质灾害的挑战。本文以雪崩为研究对象,阐述关于雪崩试验技术、流变模型及动力学数值模拟的研究进展。国内外通过开展全尺寸雪崩试验或缩尺雪槽试验,结合先进测量技术积累雪崩案例数据;雪崩常被视作复杂流体或颗粒流,采用Voellmy双参数模型、多孔黏弹塑性模型、颗粒流流变模型等描述其流变行为;基于流体动力学和基于连续介质力学的雪崩动态模拟已逐步发展成熟。该研究可为雪崩运动路径的科学预测与灾害风险评估奠定基础。

不同颗粒组成与质量分数矿料的尾矿浆流变特征与模型研究

尾矿库溃坝下泄物的流变特征,是分析溃坝时空演化过程及致灾范围的重要前提.本文配制了6组不同粗细颗粒比和6组不同质量分数矿料的尾矿浆,采用旋转式流变仪分析颗粒组成和矿料质量分数对尾矿浆流变特征的影响,并分别基于屈服伪塑性流变模型和Bingham流变模型拟合得到尾矿浆的流变模型.结果表明:40%矿料质量分数条件下,尾矿浆体中细颗粒含量较少时,浆体的黏度和屈服应力很小,且剪应力随剪切速率的增大变化不大,呈现牛顿流体特征;随着细颗粒含量的增大,浆体逐渐转变成非牛顿流体,黏度和屈服应力迅速增加,并逐渐趋于指数增大趋势,剪应力也随剪切速率的增大迅速增大;矿料质量分数为10%或40%且细颗粒含量较低的尾矿浆体由于水和尾矿砂分离,其性质类似于挟砂水流,可以通过牛顿流体模型进行描述;细颗粒含量较高的尾矿浆体,Bingham模型和屈服伪塑性流体模型均可以对其流变特征进行描述.

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。

流变模型对剪切稀化流体弹流油膜厚度影响的研究

基于Carreau流变模型和Ree-Eyring流变模型,对剪切稀化流体线接触弹流润滑进行了完全数值分析,得到了同一种润滑油在不同流变模型下的弹流油膜厚度。将理论分析得到的油膜厚度、经典弹流膜厚公式计算的油膜厚度以及实测的油膜厚度进行了对比,结果表明:基于Carreau流变模型的理论分析结果更能反映剪切稀化流体的实际弹流油膜厚度;在相同工况下,基于Ree-Eyring流变模型的理论分析结果低估了剪切稀化流体的油膜厚度,经典弹流膜厚公式过高地估计了剪切稀化流体的油膜厚度。研究结果表明:幂函数形式的流变模型更能反映剪切稀化流体的流变特性。

基于无模型自适应算法的磁流变液水分控制

磁流变抛光是一种去除效率稳定、无亚表面损伤的超精密加工工艺,然而,在抛光过程中,磁流变液的水分损失会改变抛光工具的特性,从而影响去除函数的稳定性。现有的水分控制策略受到磁流变液循环系统大时延、时变扰动的影响,导致水分含量存在周期性波动,使去除函数发生周期时变,进而影响加工质量与精度。本研究建立了磁流变液循环系统的传递函数模型,开展了系统特性分析,并据此设计了基于全格式动态线性化的无模型自适应控制算法,该算法能够实现非线性系统的参数自适应控制,有效抑制因时变扰动和时延引起的水分波动,为抛光过程中水分含量的稳定控制提供了一种简单有效、适用性强的控制策略。实验结果显示,采用FFDL-MFAC控制算法时,磁流变液水分波动的峰谷值(Peak-valley Value,PV)仅为0.06%,相较于使用PID减少了40%,误差绝对值的积分(Integral value of Absolute Er‐ror,IAE)减少了58.1%。有效提升了抛光过程中磁流变液水分含量的稳定性。

利用黏-弹-塑性模型对磁流变阻尼器动力学性能预测与分析

为了建模合适的参数模型来描述阻尼器的动态输出特性,发挥磁流变阻尼器工程应用中的半主动控制优势。本文的研究在激励频率和振幅为5 Hz和10 mm条件下,利用振动系统测试磁流变阻尼器在不同激励电流下得到动态输出特性,在此基础上利用黏-弹-塑性参数模型,采用果蝇优化算法对所有电流下的实测结果进行预测并对其结果展开分析讨论。研究结果表明该阻尼器的输出力能够跟随外部位移随时间变化情况;阻尼力随激励电流增大表现出先缓慢增大后显著增大的特性,这表明该阻尼器具有依赖输入电流的可控性,为实现工程应用中的半主动控制提供条件。并讨论了产生这种现象的原因在于不同电流下颗粒于基体间的相互作用。预测结果表明利用果蝇优化算法,黏-弹-塑性参数模型能够很好的描述实测结果。

基于体心立方结构的磁流变抛光表面粗糙度模型及试验验证

基于体系最小能量理论及抛光中的能量传递原理,建立了基于体心立方结构的磁流变抛光表面粗糙度预测模型,分析不同参数对粗糙度的影响,并与传统模型相比较。结果表明:体心立方结构能更准确地表征挤剪模式下磁流变抛光液的微观结构及剪切屈服应力,表面粗糙度预测模型与试验结果具有更好的一致性,预测结果更准确;粗糙度受加工时长、磁场强度和主轴转速影响较大,当主轴转速达到1400 r/min后由于高剪切速率作用下磁流变液的剪切稀化效应,抛光效果反而降低。

基于西原流变模型的隧洞围岩支护参数研究

为优化榕江关埠引水工程隧洞围岩锚喷支护方案设计,引入了西原流变模型,并基于此建立了围岩强度准则下的西原流变分析模型,探讨了锚杆物理力学特征与体型参数特征对围岩稳定性影响。锚杆弹性模量参数对围岩位移、径向与切向应力影响均较小,锚杆弹性模量参数优化设计时具有较宽泛选择区间。锚杆直径愈大,围岩位移进入稳定期愈早,同时围岩位移也愈低,且以锚杆直径20~26 mm区间内围岩位移降幅最大。锚杆直径参数对围岩径向、切向应力影响超过锚杆弹性模量参数,径向应力发展在锚杆直径各区间内不均衡,但切向应力与锚杆直径关系较均衡稳定。本研究可为水工隧洞围岩支护方案设计及围岩流变数值计算分析提供参考。

基于Arrinus方程的GH4706高温合金应变补偿高温流变应力模型的建立

GH4706高温合金的高温流变应力模型对指导GH4706锻件生产、预测设备吨位有着重要作用。本文推导了Arrinus方程的高温合金应变补偿高温流变应力的模型,归纳总结了相关流程,成功将该流程自动化,将必要的数学工具模块化。并由此建立了Python综合性数据处理与分析模块,该模块由六大模块组成,可以自动实现高温流变应力曲线的导入、数据处理、自动拟合材料参数、拟合精度的评估等数据处理与分析的操作。最终使用该模块建立了GH4706高温合金的高温流变应力模型,均方根误差(RMSE)只有8.316,且计算速度极快,这对加快生产效率有着重要意义。

流变模型对弹流润滑数值解的影响

采用Carreau流变模型和Ree-Eyring流变模型,研究不同流变模型对黏度较低的Squalane润滑油弹流润滑数值解的影响。分别计算不同卷吸速度、不同滑滚比下Eyring流变模型、Carreau流变模型的摩擦因数,并与试验值进行比较,同时比较Eyring流变模型与Carreau流变模型的摩擦因数、油膜最高温度、中心膜厚及最小膜厚随滑滚比、卷吸速度和最大赫兹压力变化的数值解。结果表明:在滑滚比较小时Eyring流变模型的摩擦因数更加接近试验值,在滑滚比较大时Carreau流变模型的摩擦因数更接近试验值;滑滚比对不同流变模型之间数值解的差别没有影响;随着卷吸速度的增大,Eyring流变模型所对应的膜厚值逐渐高于Carreau流变模型,而油膜最高温度逐渐小于Carreau流变模型;随着最大赫兹压力的增大,Carreau流变模型的油膜最高温度及摩擦因数逐渐大于Eyring流变模型。研究表明,在温和工况下Eyring流变模型更适合Squalane润滑油的弹流分析。