磁流變體有限變形數(shù)值模擬及本構(gòu)建模研究.pdf

1、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。如果在無磁場環(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，可隨外加磁場強度的變化而變化，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)定性好等獨特的優(yōu)點。本

2、文借助于理論分析、有限元仿真和實驗研究等方法，對磁流變彈性體的基礎(chǔ)力學(xué)性能進行研究，并提出了新的應(yīng)變能密度函數(shù)類型。主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　1）運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比研究了無磁場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)測的結(jié)果

3、完全一致。用這兩種方法得到的宏觀模量比簡單的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的作用。
　　2）通過引入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)強度下對磁場誘導(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

4、感應(yīng)強度的增大而增大。而其初始剪切模量則始終為正數(shù)，其大小隨著磁場強度的增大而增大，這與偶極子理論推導(dǎo)得到的結(jié)論一致。
　　3）運用先進的三維數(shù)字散斑動態(tài)應(yīng)變測量分析系統(tǒng)（XJTUDIC）對磁流變彈性體的基質(zhì)材料（橡膠）進行了拉伸力學(xué)測試，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)類型。使用了商業(yè)有限元分析軟件ABAQUS并分別選用材料類型Yeoh模型、Neo-Hookean和Mooney-Rivlin模型對實

5、驗結(jié)果進行擬合，發(fā)現(xiàn)對于中等程度的變形，Mooney-Rivlin超彈性材料模型的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。
　　4）由于各向異性磁流變彈性體和纖維增強復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的近似性，對于無磁場條件工作下的各向異性磁流變彈性體，參考纖維增強復(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性超彈性本構(gòu)模型。理論和實驗分析均表明：傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的纖維增強復(fù)合材料有限變形理論不適用于彎曲變