專利名稱：磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法
技術領域：
本發明屬于工程技術與材料科學領域，涉及一種磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法。
背景技術：
作為結構控制的重要元件，以磁流變液(Magnetorheological Fluids, MRF)為基本材料的磁流變阻尼器近年來得到了廣泛的應用與研究。磁流變液一般是由微米級高磁導率的顆粒與非磁性的流體組成，具有快速、完全可逆的相變特性。在外加磁場作用時，懸浮顆粒磁化為磁極子，顆粒之間相互作用形成鏈、簇、墻式結構。這種微觀結構性態能顯著增強懸浮顆粒的黏性，明顯改變磁流變液的流場特征，具有良好的可控特性。目前，考察MRF動態屈服的變異性有三種尺度微觀尺度，考察粒子間相互作用及其系綜；細觀尺度，考察鏈-鏈之間相互作用及其宏觀表現；宏觀尺度，考察均質連續體響應及其屈服性態。仔細分析可知，細觀尺度方法往往基于理想假定、不能反映分散懸浮相互作用及其隨機漲落的物理本質；宏觀尺度方法均是依賴于試驗分析的現象學方法、也缺乏對隨機漲落本質的揭示。而已有的微觀尺度分子動力學仿真方法，大多限于小規模模擬，且往往忽略Brownian運動的影響。更為重要的，微觀尺度的粒子隨機漲落與宏觀尺度動態屈服變異性的關系尚未見相關文獻提及。
發明內容
本發明的目的在于提供一種磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法，揭示了磁流變液動態屈服隨機漲落的物理本質，提出了其變異性標定的新途徑。為達到以上目的，本發明所采用的解決方案是一種磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法，其包括以下步驟1)根據研究的對象設置分子動力學仿真的磁流變液材料參數，材料參數是根據被仿真分析的磁流變液獲得的；2)建立多場耦合作用下懸浮粒子運動的Langevin方程，并編制大規模分子動力學仿真程序；3)采用分子動力學仿真程序進行磁流變液微觀結構演化模擬；4)構造內秉微觀粒子隨機運動信息的宏觀屈服應力模型，并根據磁流變液微觀結構演化模擬結果，統計得到具有非線性漲落和隨機漲落的應力-應變本構關系；5)建立具有隨機參數的Bingham剪變率本構模型，利用最小二乘擬合準則識別 Bingham模型中的隨機參數，并標定它們的變異性。所述磁流變液材料參數包括磁流變液的組份、溫度場、磁場和剪切場。由于懸浮粒子的初始位置、初始速度和Brownian運動是隨機的，所述磁流變液微觀結構演化模擬設置數十次工況進行模擬。由于采用了上述方案，本發明具有以下特點本發明基于大規模分子動力學仿真，從多場耦合作用的磁流變液懸浮的運動分析出發，構造了內秉微觀粒子隨機運動信息的磁流變液屈服應力的隨機多尺度模型，獲得了具有隨機參數的Bingham剪變率本構，進一步通過最小二乘擬合準則，標定了本構參數的變異性。本發明揭示了磁流變液動態屈服隨機漲落的物理本質，提出了其變異性標定的新途徑，突破了傳統依賴于多次試驗分析的現象學標定方法，為磁流變液控制元件的設計與優化提供了深入的認識。
圖1為穩態剪切場作用下某分散懸浮磁流變液的應力應變關系圖。圖2為示例的懸浮粒子運動漲落與屈服應力變異系數的對比圖。圖3為示例的擬合Bingham模型均值及其加減一倍標準差對比圖。圖4為磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法框圖。圖5為磁場和剪切場的加載順序圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。1.多場耦合作用下懸浮粒子運動方程磁流變液懸浮球粒子i的運動受控于如下Langevin方程fn^ = Fft(Vt) +) + ^F (r； + F + F0 + F(1)式中，歷為粒子i的質量&為粒子i的位置向量；Fh(Vi)為流場Mokes力；Fd(riJ) 為磁場偶極子磁極力；&(、.)為粒子場短程力；FW為邊界場作用力；！^為隨機場Brownian 向量力；Fg為重力場向量力。上述Langevin方程的初始條件具有隨機性，即懸浮球粒子的初始位置和初始速度是隨機的。該方程是進行大規模分子動力學仿真程序編制和磁流變液微觀結構演化分析的基礎。2.宏觀動態屈服隨機多尺度模型仿真表明，在微觀水平，由于不確定性初始條件和隨機擾動，懸浮粒子的運動出現不同程度的隨機漲落。然而，這種微觀漲落對系統宏觀性態的影響，在傳統的多尺度分析中，卻往往通過某種“自洽”或“平均”的方式消除掉了。仿真分析同時表明，外加場強對微觀漲落有較大影響。從而認為在宏觀性態分析中，應該考慮微觀漲落的影響。然而，不同尺度反映磁流變液特性的物理量有明顯不同，如微觀尺度的物理量為由懸浮和溶液載體相互作用引起的粒子運動，宏觀尺度的物理量為流變液動態屈服的應力應變關系。因此，磁流變液宏觀動態屈服多尺度建模的困難在于在向上尺度轉換過程中如何無損傳遞由明顯不同物理量所攜帶的信息。根據磁流變液不同尺度下系統能量保守原理，提出了內蘊微觀粒子隨機運動信息的宏觀屈服應力模型
ec(H,r,y, ) = ef(H,r,y,zu)(2)式中，ε% ε f分別為宏觀粗尺度和微觀精尺度下的系統能量；H，Y，]>分別為外加磁場場強、剪應變和剪變率為表征懸浮粒子初始構型隨機性、初始速度隨機性和Brownian運動影響的基本隨機事件；θ = 表示從微觀尺度轉換到宏觀尺度過程中微觀結構隨機性的非線性性映射。因此，可以得到如下“體積平均”形式的宏觀剪應力
權利要求
1.一種磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法，其特征在于其包括以下步驟1)根據研究的對象設置分子動力學仿真的磁流變液材料參數；2)建立多場耦合作用下懸浮粒子運動的Langevin方程，并編制大規模分子動力學仿真程序；3)采用分子動力學仿真程序進行磁流變液微觀結構演化模擬；4)構造內秉微觀粒子隨機運動信息的宏觀屈服應力模型，并根據磁流變液微觀結構演化模擬結果，統計得到具有非線性漲落和隨機漲落的應力-應變本構關系；5)建立具有隨機參數的Bingham剪變率本構模型，利用最小二乘擬合準則識別 Bingham模型中的隨機參數，并標定它們的變異性。
2.如權利要求1所述的磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法，其特征在于 所述磁流變液材料參數包括磁流變液的組份、溫度場、磁場和剪切場。
3.如權利要求1所述的磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法，其特征在于 所述磁流變液微觀結構演化模擬設置數十次工況進行模擬。
全文摘要
本發明公開了一種磁流變液動態屈服變異性標定的微觀尺度方法，其根據研究的對象設置分子動力學仿真的磁流變液材料參數；建立多場耦合作用下懸浮粒子運動的Langevin方程，并編制大規模分子動力學仿真程序；采用仿真程序進行磁流變液微觀結構演化模擬；構造內秉微觀粒子隨機運動信息的宏觀屈服應力模型，并根據磁流變液微觀結構演化模擬結果，統計得到具有非線性漲落和隨機漲落的應力-應變本構關系；建立具有隨機參數的Bingham剪變率本構模型，利用最小二乘擬合準則識別Bingham模型中的隨機參數，并標定它們的變異性。本發明突破了依賴于試驗分析的傳統現象學標定方法，為磁流變液控制元件的設計與優化提供了深入的認識。
文檔編號G01N11/00GK102175572SQ201110045018
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者彭勇波, 李 杰 申請人:同濟大學