專利名稱：磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程技術(shù)與材料科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法。
背景技術(shù)：
作為結(jié)構(gòu)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(yīng)用與研究。磁流變液一般是由微米級高磁導(dǎo)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(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)性態(tài)能顯著增強(qiáng)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(tài)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(xì)觀尺度，考察鏈-鏈之間相互作用及其宏觀表現(xiàn)；宏觀尺度，考察均質(zhì)連續(xù)體響應(yīng)及其屈服性態(tài)。仔細(xì)分析可知，細(xì)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(jī)漲落的物理本質(zhì)；宏觀尺度方法均是依賴于試驗(yàn)分析的現(xiàn)象學(xué)方法、也缺乏對隨機(jī)漲落本質(zhì)的揭示。而已有的微觀尺度分子動力學(xué)仿真方法，大多限于小規(guī)模模擬，且往往忽略Brownian運(yùn)動的影響。更為重要的，微觀尺度的粒子隨機(jī)漲落與宏觀尺度動態(tài)屈服變異性的關(guān)系尚未見相關(guān)文獻(xiàn)提及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法，揭示了磁流變液動態(tài)屈服隨機(jī)漲落的物理本質(zhì)，提出了其變異性標(biāo)定的新途徑。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是一種磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法，其包括以下步驟1)根據(jù)研究的對象設(shè)置分子動力學(xué)仿真的磁流變液材料參數(shù)，材料參數(shù)是根據(jù)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(yùn)動的Langevin方程，并編制大規(guī)模分子動力學(xué)仿真程序；3)采用分子動力學(xué)仿真程序進(jìn)行磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬；4)構(gòu)造內(nèi)秉微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動信息的宏觀屈服應(yīng)力模型，并根據(jù)磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到具有非線性漲落和隨機(jī)漲落的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系；5)建立具有隨機(jī)參數(shù)的Bingham剪變率本構(gòu)模型，利用最小二乘擬合準(zhǔn)則識別 Bingham模型中的隨機(jī)參數(shù)，并標(biāo)定它們的變異性。所述磁流變液材料參數(shù)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(yùn)動是隨機(jī)的，所述磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬設(shè)置數(shù)十次工況進(jìn)行模擬。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)本發(fā)明基于大規(guī)模分子動力學(xué)仿真，從多場耦合作用的磁流變液懸浮的運(yùn)動分析出發(fā)，構(gòu)造了內(nèi)秉微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動信息的磁流變液屈服應(yīng)力的隨機(jī)多尺度模型，獲得了具有隨機(jī)參數(shù)的Bingham剪變率本構(gòu)，進(jìn)一步通過最小二乘擬合準(zhǔn)則，標(biāo)定了本構(gòu)參數(shù)的變異性。本發(fā)明揭示了磁流變液動態(tài)屈服隨機(jī)漲落的物理本質(zhì)，提出了其變異性標(biāo)定的新途徑，突破了傳統(tǒng)依賴于多次試驗(yàn)分析的現(xiàn)象學(xué)標(biāo)定方法，為磁流變液控制元件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了深入的認(rèn)識。


圖1為穩(wěn)態(tài)剪切場作用下某分散懸浮磁流變液的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖。圖2為示例的懸浮粒子運(yùn)動漲落與屈服應(yīng)力變異系數(shù)的對比圖。圖3為示例的擬合Bingham模型均值及其加減一倍標(biāo)準(zhǔn)差對比圖。圖4為磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)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(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。1.多場耦合作用下懸浮粒子運(yùn)動方程磁流變液懸浮球粒子i的運(yùn)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(zhì)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(jī)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(jī)性，即懸浮球粒子的初始位置和初始速度是隨機(jī)的。該方程是進(jìn)行大規(guī)模分子動力學(xué)仿真程序編制和磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化分析的基礎(chǔ)。2.宏觀動態(tài)屈服隨機(jī)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(jī)擾動，懸浮粒子的運(yùn)動出現(xiàn)不同程度的隨機(jī)漲落。然而，這種微觀漲落對系統(tǒng)宏觀性態(tài)的影響，在傳統(tǒng)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(qiáng)對微觀漲落有較大影響。從而認(rèn)為在宏觀性態(tài)分析中，應(yīng)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(yùn)動，宏觀尺度的物理量為流變液動態(tài)屈服的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。因此，磁流變液宏觀動態(tài)屈服多尺度建模的困難在于在向上尺度轉(zhuǎn)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(jù)磁流變液不同尺度下系統(tǒng)能量保守原理，提出了內(nèi)蘊(yùn)微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動信息的宏觀屈服應(yīng)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(tǒng)能量；H，Y，]>分別為外加磁場場強(qiáng)、剪應(yīng)變和剪變率為表征懸浮粒子初始構(gòu)型隨機(jī)性、初始速度隨機(jī)性和Brownian運(yùn)動影響的基本隨機(jī)事件；θ = 表示從微觀尺度轉(zhuǎn)換到宏觀尺度過程中微觀結(jié)構(gòu)隨機(jī)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(yīng)力
權(quán)利要求
1.一種磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法，其特征在于其包括以下步驟1)根據(jù)研究的對象設(shè)置分子動力學(xué)仿真的磁流變液材料參數(shù)；2)建立多場耦合作用下懸浮粒子運(yùn)動的Langevin方程，并編制大規(guī)模分子動力學(xué)仿真程序；3)采用分子動力學(xué)仿真程序進(jìn)行磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬；4)構(gòu)造內(nèi)秉微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動信息的宏觀屈服應(yīng)力模型，并根據(jù)磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到具有非線性漲落和隨機(jī)漲落的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系；5)建立具有隨機(jī)參數(shù)的Bingham剪變率本構(gòu)模型，利用最小二乘擬合準(zhǔn)則識別 Bingham模型中的隨機(jī)參數(shù)，并標(biāo)定它們的變異性。
2.如權(quán)利要求1所述的磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法，其特征在于 所述磁流變液材料參數(shù)包括磁流變液的組份、溫度場、磁場和剪切場。
3.如權(quán)利要求1所述的磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法，其特征在于 所述磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬設(shè)置數(shù)十次工況進(jìn)行模擬。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁流變液動態(tài)屈服變異性標(biāo)定的微觀尺度方法，其根據(jù)研究的對象設(shè)置分子動力學(xué)仿真的磁流變液材料參數(shù)；建立多場耦合作用下懸浮粒子運(yùn)動的Langevin方程，并編制大規(guī)模分子動力學(xué)仿真程序；采用仿真程序進(jìn)行磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬；構(gòu)造內(nèi)秉微觀粒子隨機(jī)運(yùn)動信息的宏觀屈服應(yīng)力模型，并根據(jù)磁流變液微觀結(jié)構(gòu)演化模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到具有非線性漲落和隨機(jī)漲落的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系；建立具有隨機(jī)參數(shù)的Bingham剪變率本構(gòu)模型，利用最小二乘擬合準(zhǔn)則識別Bingham模型中的隨機(jī)參數(shù)，并標(biāo)定它們的變異性。本發(fā)明突破了依賴于試驗(yàn)分析的傳統(tǒng)現(xiàn)象學(xué)標(biāo)定方法，為磁流變液控制元件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了深入的認(rèn)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(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者彭勇波, 李 杰 申請人:同濟(jì)大學(xué)