热效应下磁流变液与形状记忆合金复合传动理论分析及应用

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1、热效应下磁流变液与形状记忆合金复合传动理论分析及应用重庆大学博士学位论文学生姓名：陈松指导教师：蹇开林教授专业：力学学科门类：工学重庆大学航空航天学院二O一四年九月万方数据万方数据AnalysisandApplicationofCompositeTransmissionTheoryofMRFluidandShapeMemoryAlloyunderThermalEffectAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’s

2、DegreeofEngineeringByChenSongSupervisedbyProf.JianKai-linSpecialty:MechanicsCollegeofAerospaceEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSept.2014万方数据万方数据中文摘要摘要磁流变液和形状记忆合金作为新型智能材料，其力学性能可由外部激励源（如磁场、温度场等）进行连续控制，因其独特的力学性能，引起了国内外学者的高度重视。但现有研究多是在单物理场作用下对磁流变液的材料力学性能及应用进行研究，且

3、在应用中普遍存在高温环境下磁流变液中基础液性能下降甚至失效、材料在复杂外部环境作用下性能变化剧烈等问题，从而造成高温条件下磁流变液流变效应下降、剪切力变化不可控、不连续甚至传动失效等。针对这些问题，本文结合磁流变液的流变特性和形状记忆合金的感温特性，在磁场和温度场的作用下对磁流变液与形状记忆合金复合传动的理论及应用开展深入研究，相关研究内容如下所述：1）分析磁流变液的材料组成和材料性能，采用数字全息显微技术对磁流变液在三维空间的微观结构进行测量，得到磁流变液中铁磁性颗粒的尺寸、分布、沿磁感线方向的运动以及整个实时三维链化过程，并分析磁流变液在

4、磁场中的磁链结构、链化速度、响应时间、加速度以及受力情况。由于不同温度下磁流变液性能表现出巨大的差异，对磁流变液的粘温特性进行分析，研究温度对磁流变液流粘度、屈服应力、剪切应力等的影响。2）分析形状记忆合金的力学性能，建立了形状记忆合金弹簧的设计理论公式，对形状记忆合金的感温与驱动特性进行实验测试，并对形状记忆合金弹簧的设计理论公式进行验证；建立形状记忆合金驱动器在温度作用下受轴向约束时输出力与温度、材料参数、结构参数之间的关系。3）结合磁流变液的流变特性以及形状记忆合金的感温特性，提出在高温条件下磁流变液与形状记忆合金复合传动的原理和方法，

5、设计一种磁流变液和形状记忆合金复合传动装置，在温度较低时依靠磁场控制的磁流变液来传递转矩，在温度升高磁流变液性能下降，出现剪切应力不可控、不连续时，利用形状记忆合金弹簧驱动的摩擦盘来辅助传递动力。4）根据复合传动的原理，对磁流变传动装置在外加磁场作用下的剪切传力性能进行分析，分析磁流变液在两同轴圆筒间的粘塑性剪切流动，建立磁流变液在圆筒中剪切传力的方程。5）建立偏动式形状记忆合金双程驱动器设计方法、并将偏动式驱动器推动摩擦盘传动作为高温时磁流变液传动的辅助传力装置，将偏动式形状记忆合金双程驱动器用于驱动主从动摩擦盘的接合和分离，实现对摩擦盘的

6、感温控制。建立复合传动传递力矩的关系式，实现了温度对辅助传动装置的智能控制。I万方数据重庆大学博士学位论文6）根据复合传动装置的传动原理和传力方程，分别对磁流变液传动部分和形状记忆合金驱动摩擦盘辅助传力部分进行设计，得出设计中两种材料的选择方法以及复合传动装置各个关键几何参数的计算公式；对传动装置的磁路进行分析和优化设计，分析工作间隙、励磁线圈布置位置及线圈绕向对磁力线、工作磁场强度及分布的影响。7）建立复合传动性能实验方案，对所设计的磁流变液与形状记忆合金复合传动装置进行传力性能实验，验证了磁流变液与形状记忆合金复合传动装置在高温环境下仍具

7、有较高的稳定性和工作效率。关键词：磁流变液，形状记忆合金，复合传动，磁场强度，剪切应力II万方数据英文摘要ABSTRACTAsnewintelligentmaterials,mechanicalpropertiesofmagnetorheologicalfluidandshapememoryalloycanbecontinuouslycontrolledbyexternaldrivesource(likemagneticfield,temperaturefieldandsoon)andtheyhaveattractedgreatattenti

8、onofscholarsathomeandabroadfortheirdistinctivemechanicalproperties.Butmostofthepre