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电流变液微观结构的力学分析及动力学仿真

唐斌  
【摘要】:电流变液作为一种智能材料,以其独特的流变特性受到了许多科研工作者的关注,并且在工程领域中得到了广泛的应用。许多科研工作者都指出了电流变液的微观结构会影响其力学特性,但是,他们都没有发现在电流变响应过程中存在结构-力的动态耦合。本课题来源于国家自然科学基金资助项目(51075345),本文是以电流变液的微观结构为研究对象,主要是从理论分析和动力学仿真的角度来展开研究的。 研究的主要内容如下: 首先,采用点偶极子模型,并假设电流变液颗粒是球形的,计算体心四方结构、面心立方结构和六角密堆结构的势能,分析得出电流变液固化后形成的微观结构的基态是体心四方结构。同时,用统计的方法研究电流变液的相变,得出了电流变液发生相变时的临界电场和临界温度。 其次,根据电流变液在外电场作用下,颗粒极化后形成链的微观结构的原理,并基于颗粒之间的作用力及电磁学理论,建立了电流变液微观结构的力学模型。通过电流变液微观结构的力学模型计算了不同大小的颗粒、电场强度和颗粒的体积分率对剪切屈服应力的影响,并分析了剪切屈服应力与应变的响应特性。 最后,通过电流变液极化理论,推导了电流变液颗粒在Poiseuille流场下的无量纲动力学方程,进而采用周期性边界条件,仿真了电流变液在相同外电场作用下,其微观结构的变化情况,并建立了电流变液微观结构的变化相图。而且,仿真了电流变液在三个不同的外电场作用下,电流变液微观结构的最终状态图,以及序参量和表观粘度随时间变化的情况。仿真结果表明:电流变液微观结构的变化对其力学特性有很大的影响,在未形成体心四方结构之前,电流变液的表观粘度是不断变化的,即产生了结构-力的动态耦合效应。并且,电场强度和压力梯度会对这种效应产生影响。


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