發(fā)布時(shí)間：2018-05-09 06:53

  本文選題：磁流變彈性體 + 力學(xué)行為��； 參考：《西北工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：磁流變彈性體是一種新型的智能材料，它是將微米尺度的鐵磁性顆粒摻入到高分子聚合物中，在磁場(chǎng)環(huán)境下固化，從而基體內(nèi)的顆粒具有鏈或柱狀結(jié)構(gòu)，形成各向異性的磁流變彈性體。如果在無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境下固化，則為各向同性的磁流變彈性體。這種材料的宏觀模量尤其是各向異性磁流變彈性體，可隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，因此可以在變剛度器件等方面得到廣泛的應(yīng)用。與普通磁流變液相比，磁流變彈性體不但具有可控性、可逆性、響應(yīng)迅速等高技術(shù)特征，還具有穩(wěn)定性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文借助于理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究等方法，對(duì)磁流變彈性體的基礎(chǔ)力學(xué)性能進(jìn)行研究，并提出了新的應(yīng)變能密度函數(shù)類(lèi)型。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： 1）運(yùn)用基于周期性邊界條件的代表性體積單元法，用理論分析和有限元兩種方法對(duì)比研究了無(wú)磁場(chǎng)條件下各向同性和各向異性磁流變彈性體的宏觀楊氏模量和剪切模量。正交各向同性磁流變彈性體數(shù)值模擬的結(jié)果和基于Eshelby夾雜理論的Mori-Tanaka和Double-Inclusion模型預(yù)測(cè)的結(jié)果完全一致。用這兩種方法得到的宏觀模量比簡(jiǎn)單的Voigt模型（均勻應(yīng)變假設(shè)）和Reuss（均勻應(yīng)力假設(shè)）模型要精確很多。顆粒填充材料對(duì)橡膠的力學(xué)性能有影響，初始楊氏模量和初始剪切模量都有增強(qiáng)的作用。 2）通過(guò)引入Maxwell應(yīng)力張量，研究了各向異性磁流變彈性體在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下對(duì)磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的楊氏模量和剪切模量的影響。用代表性體積單元的方法證明了：磁流變彈性體由于磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的楊氏模量是負(fù)數(shù)，但總的楊氏模量是正數(shù)，且其大小隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大。而其初始剪切模量則始終為正數(shù)，其大小隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，這與偶極子理論推導(dǎo)得到的結(jié)論一致。 3）運(yùn)用先進(jìn)的三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)（XJTUDIC）對(duì)磁流變彈性體的基質(zhì)材料（橡膠）進(jìn)行了拉伸力學(xué)測(cè)試，研究了橡膠基質(zhì)在有限變形下適合的超彈性材料的幾種應(yīng)變能密度函數(shù)類(lèi)型。使用了商業(yè)有限元分析軟件ABAQUS并分別選用材料類(lèi)型Yeoh模型、Neo-Hookean和Mooney-Rivlin模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)對(duì)于中等程度的變形，Mooney-Rivlin超彈性材料模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。 4）由于各向異性磁流變彈性體和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的近似性，對(duì)于無(wú)磁場(chǎng)條件工作下的各向異性磁流變彈性體，參考纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的有限變形，基于Spencer的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)不變量理論，提出了一種考慮纖維彎曲剛度的非線(xiàn)性超彈性本構(gòu)模型。理論和實(shí)驗(yàn)分析均表明：傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有限變形理論不適用于彎曲變形，必須考慮彎曲剛度的影響。數(shù)值仿真結(jié)果也驗(yàn)證了在應(yīng)變能函數(shù)中增加彎曲剛度項(xiàng)是必要的。 5）對(duì)于工作在磁場(chǎng)條件下的各向異性磁流變彈性體，參考兩族纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，基于Spencer的不變量理論，對(duì)顆粒形成的鏈和磁場(chǎng)方向分別定義兩個(gè)方向的不變量，，從而建立了一個(gè)新的磁流變彈性體的應(yīng)變能密度函數(shù)類(lèi)型。并研究了在這個(gè)新的本構(gòu)模型下拉伸和簡(jiǎn)單剪切工況下的力學(xué)性能，進(jìn)而分析了磁場(chǎng)方向和顆粒鏈方向?qū)τ诤暧^力學(xué)性能的影響。
[Abstract]:The magneto - rheological elastomer is a new kind of intelligent material , it is a kind of new kind of intelligent material , it is to incorporate micron - scale ferromagnetic particles into the polymer polymer , it is solidified under the magnetic field environment , so that the particles in the base body have chain or columnar structure to form anisotropic magneto - rheological elastomer .

1 ) The macroscopic Young ' s modulus and shear modulus of isotropic and anisotropic magneto - rheological elastomers under the condition of non - magnetic field are studied by means of theoretical analysis and finite element method . The results of the numerical simulation of the orthogonal isotropic magnetorheological elastomers and the results of the prediction of the Mori - tanaka and Double - Inclusion models based on the Eshelby inclusion theory are quite consistent . The macroscopic modulus obtained by these two methods is much more accurate than the simple Voigt model ( uniform strain hypothesis ) and the Reuss ( uniform stress hypothesis ) model .

2 ) By introducing Maxwell stress tensor , the influence of anisotropic magneto - rheological elastomer on the Young ' s modulus and shear modulus induced by magnetic field under different magnetic induction intensity is studied . The method of representative volume unit proves that the Young ' s modulus produced by magnetic field induction is negative , but the total Young ' s modulus increases with the increase of magnetic induction intensity . The initial shear modulus is always positive , and its size increases with the increase of magnetic field strength , which is consistent with the conclusion obtained by dipole theory .

3 ) Using the advanced 3D digital speckle dynamic strain measurement and analysis system ( XJTUDIC ) to test the matrix material ( rubber ) of the magneto - rheological elastomer , the types of strain energy density functions of the super - elastic materials suitable for the finite deformation of the rubber matrix were studied .

4 ) Due to the approximation of the meso - structure of the anisotropic magneto - rheological elastomer and the fiber - reinforced composite material , the nonlinear hyperelastic constitutive model considering the bending stiffness of the fiber is presented for the anisotropic magneto - rheological elastomer under the condition of no magnetic field , and the nonlinear hyperelastic constitutive model considering the bending stiffness of the fiber is presented .

5 ) For the anisotropic magneto - rheological elastomer working under the condition of magnetic field , referring to the two - family fiber - reinforced composite material , based on Spencer ' s invariant theory , two independent variables are defined in the direction of the chain and the magnetic field formed by the particles , so as to establish a new strain energy density function type of the magneto - rheological elastomer , and the influence of the magnetic field direction and the particle chain direction on the macroscopic mechanical properties is analyzed .

【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB381

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳琳;磁流變彈性體的研制及其力學(xué)行為的表征[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：1865020