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磁流变弹性体薄板的结构分析与优化

宋志远  
【摘要】:随着机器工业、航空航天、建筑及医疗等领域的迅猛发展,对智能材料和智能结构的研究越来越重要。磁流变弹性体作为新兴的智能材料,在磁场作用下能显著提高弹性模量,并具有无需密封、性能稳定、响应迅速等特点,在需要进行刚度控制的结构中具有广泛的应用前景。目前磁流变弹性体的研究基本处于实验室阶段,关于磁流变弹性体如何改变材料的力学性质及进一步对结构承载的影响,缺乏深入研究。因此,本文在磁流变弹性体的磁致剪切模量计算、含磁流变弹性体的结构分析与优化方面做了以下工作。首先对磁流变弹性体微结构进行仿真,得到了磁流变弹性体中若干与材料性质相关的物理量,然后对数据进行处理,计算了磁流变弹性体等效单元体的相对磁导率,与文献中实验结果比较接近。其次计算了磁流变弹性体在不同颗粒体积份数下和不同磁场强度下的磁致剪切模量,与实验结果在趋势上保持一致。同时计算了不同颗粒间隙指示和不同颗粒形状下的磁致剪切模量。然后将磁流变弹性体制成的薄板引入磁场中,在不同的磁场强度下对试件进行结构分析。计算了静力作用下磁场对磁流变弹性体构件挠度的影响,结果显示磁场可以有效降低其挠度。分析了磁场对磁流变弹性体构件自振频率的影响,结果显示自振频率随磁场增强而增大,随颗粒体积份数增加而降低。计算了机械荷载与磁场作用下磁流变薄板的临界屈曲载荷,结果显示结构临界屈曲荷载随颗粒体积份数与磁场强度增大而明显提高。还计算了磁场、电流、机械荷载共同作用下薄板的临界屈曲荷载,电流的大小和方向都对临界屈曲荷载有关键影响。最后对磁流变弹性薄板进行优化分析,将矩形磁流变弹性薄板的每一个单元的颗粒体积份数作为设计变量,将整个薄板的质量(颗粒的质量与基体质量的和)不变作为约束条件,以指定点位移为优化目标对磁流变薄板进行优化。优化后能得到合理的颗粒体积份数的拓扑分布,且位移有效减小,优化效果明显。


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