专利名称：磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法
技术领域：
本发明属于工程技术与材料科学领域，涉及一种磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法。
背景技术：
作为结构控制的重要元件，以磁流变液(Magnetorheological Fluids, MRF)为基本材料的磁流变阻尼器近年来得到了广泛的应用与研究。磁流变液一般是由微米级高磁导率的颗粒与非磁性的流体组成，具有快速、完全可逆的相变特性。在外加磁场作用时，悬浮颗粒磁化为磁极子，颗粒之间相互作用形成链、簇、墙式结构。这种微观结构性态能显著增强悬浮颗粒的黏性，明显改变磁流变液的流场特征，具有良好的可控特性。目前，考察MRF动态屈服的变异性有三种尺度微观尺度，考察粒子间相互作用及其系综；细观尺度，考察链-链之间相互作用及其宏观表现；宏观尺度，考察均质连续体响应及其屈服性态。仔细分析可知，细观尺度方法往往基于理想假定、不能反映分散悬浮相互作用及其随机涨落的物理本质；宏观尺度方法均是依赖于试验分析的现象学方法、也缺乏对随机涨落本质的揭示。而已有的微观尺度分子动力学仿真方法，大多限于小规模模拟，且往往忽略Brownian运动的影响。更为重要的，微观尺度的粒子随机涨落与宏观尺度动态屈服变异性的关系尚未见相关文献提及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法，揭示了磁流变液动态屈服随机涨落的物理本质，提出了其变异性标定的新途径。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法，其包括以下步骤1)根据研究的对象设置分子动力学仿真的磁流变液材料参数，材料参数是根据被仿真分析的磁流变液获得的；2)建立多场耦合作用下悬浮粒子运动的Langevin方程，并编制大规模分子动力学仿真程序；3)采用分子动力学仿真程序进行磁流变液微观结构演化模拟；4)构造内秉微观粒子随机运动信息的宏观屈服应力模型，并根据磁流变液微观结构演化模拟结果，统计得到具有非线性涨落和随机涨落的应力-应变本构关系；5)建立具有随机参数的Bingham剪变率本构模型，利用最小二乘拟合准则识别 Bingham模型中的随机参数，并标定它们的变异性。所述磁流变液材料参数包括磁流变液的组份、温度场、磁场和剪切场。由于悬浮粒子的初始位置、初始速度和Brownian运动是随机的，所述磁流变液微观结构演化模拟设置数十次工况进行模拟。由于采用了上述方案，本发明具有以下特点本发明基于大规模分子动力学仿真，从多场耦合作用的磁流变液悬浮的运动分析出发，构造了内秉微观粒子随机运动信息的磁流变液屈服应力的随机多尺度模型，获得了具有随机参数的Bingham剪变率本构，进一步通过最小二乘拟合准则，标定了本构参数的变异性。本发明揭示了磁流变液动态屈服随机涨落的物理本质，提出了其变异性标定的新途径，突破了传统依赖于多次试验分析的现象学标定方法，为磁流变液控制元件的设计与优化提供了深入的认识。
图1为稳态剪切场作用下某分散悬浮磁流变液的应力应变关系图。图2为示例的悬浮粒子运动涨落与屈服应力变异系数的对比图。图3为示例的拟合Bingham模型均值及其加减一倍标准差对比图。图4为磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法框图。图5为磁场和剪切场的加载顺序图。
具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。1.多场耦合作用下悬浮粒子运动方程磁流变液悬浮球粒子i的运动受控于如下Langevin方程fn^ = Fft(Vt) +) + ^F (r； + F + F0 + F(1)式中，历为粒子i的质量&为粒子i的位置向量；Fh(Vi)为流场Mokes力；Fd(riJ) 为磁场偶极子磁极力；&(、.)为粒子场短程力；FW为边界场作用力；！^为随机场Brownian 向量力；Fg为重力场向量力。上述Langevin方程的初始条件具有随机性，即悬浮球粒子的初始位置和初始速度是随机的。该方程是进行大规模分子动力学仿真程序编制和磁流变液微观结构演化分析的基础。2.宏观动态屈服随机多尺度模型仿真表明，在微观水平，由于不确定性初始条件和随机扰动，悬浮粒子的运动出现不同程度的随机涨落。然而，这种微观涨落对系统宏观性态的影响，在传统的多尺度分析中，却往往通过某种“自洽”或“平均”的方式消除掉了。仿真分析同时表明，外加场强对微观涨落有较大影响。从而认为在宏观性态分析中，应该考虑微观涨落的影响。然而，不同尺度反映磁流变液特性的物理量有明显不同，如微观尺度的物理量为由悬浮和溶液载体相互作用引起的粒子运动，宏观尺度的物理量为流变液动态屈服的应力应变关系。因此，磁流变液宏观动态屈服多尺度建模的困难在于在向上尺度转换过程中如何无损传递由明显不同物理量所携带的信息。根据磁流变液不同尺度下系统能量保守原理，提出了内蕴微观粒子随机运动信息的宏观屈服应力模型
ec(H,r,y, ) = ef(H,r,y,zu)(2)式中，ε% ε f分别为宏观粗尺度和微观精尺度下的系统能量；H，Y，]>分别为外加磁场场强、剪应变和剪变率为表征悬浮粒子初始构型随机性、初始速度随机性和Brownian运动影响的基本随机事件；θ = 表示从微观尺度转换到宏观尺度过程中微观结构随机性的非线性性映射。因此，可以得到如下“体积平均”形式的宏观剪应力
权利要求
1.一种磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法，其特征在于其包括以下步骤1)根据研究的对象设置分子动力学仿真的磁流变液材料参数；2)建立多场耦合作用下悬浮粒子运动的Langevin方程，并编制大规模分子动力学仿真程序；3)采用分子动力学仿真程序进行磁流变液微观结构演化模拟；4)构造内秉微观粒子随机运动信息的宏观屈服应力模型，并根据磁流变液微观结构演化模拟结果，统计得到具有非线性涨落和随机涨落的应力-应变本构关系；5)建立具有随机参数的Bingham剪变率本构模型，利用最小二乘拟合准则识别 Bingham模型中的随机参数，并标定它们的变异性。
2.如权利要求1所述的磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法，其特征在于 所述磁流变液材料参数包括磁流变液的组份、温度场、磁场和剪切场。
3.如权利要求1所述的磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法，其特征在于 所述磁流变液微观结构演化模拟设置数十次工况进行模拟。
全文摘要
本发明公开了一种磁流变液动态屈服变异性标定的微观尺度方法，其根据研究的对象设置分子动力学仿真的磁流变液材料参数；建立多场耦合作用下悬浮粒子运动的Langevin方程，并编制大规模分子动力学仿真程序；采用仿真程序进行磁流变液微观结构演化模拟；构造内秉微观粒子随机运动信息的宏观屈服应力模型，并根据磁流变液微观结构演化模拟结果，统计得到具有非线性涨落和随机涨落的应力-应变本构关系；建立具有随机参数的Bingham剪变率本构模型，利用最小二乘拟合准则识别Bingham模型中的随机参数，并标定它们的变异性。本发明突破了依赖于试验分析的传统现象学标定方法，为磁流变液控制元件的设计与优化提供了深入的认识。
文档编号G01N11/00GK102175572SQ201110045018
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者彭勇波, 李 杰 申请人:同济大学