Badanie modelowe oddziaływań w makropróbce elastomeru magnetoreologicznego w polu magnetycznym

• Autorzy: Zubko K. , Boczkowska A. , Niezgoda T. , Szymczyk W.

Warianty tytułu

EN

Research on a model of interactions in a magnetorheological elastomer under the influence of magnetic field

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule prezentowane są wyniki modelowania makrostruktury wykona- nej z elastomeru magnetoreologicznego (MRE) za pomocą metody elementów skończonych (MES). Zastosowano metodę dwustopniową bazującą na metodzie superelementów (rys. 1, 2). MRE składa się z cząstek żelaza karbonylkowego rozmieszczonych w osnowie poliuretanu (PU). Próbki MRE wytwarzane są w zewnętrznym, stałym polu magnetycznym. Dla potrzeb modelowania przeprowadzono walidację modelu numerycznego wyników eksperymentów z udziałem tylko dwóch dipoli magnetycznych. Makropróbki zawierały cząstki ferromagnetyczne w kształcie cylindrów i sfer. Odległość między cząstkami wynosiła około . ich średnic (rys. 3). Łatwo mierzalne były wyniki eksperymentów w zakresie zmiany pola magnetycznego 100÷300 mT. Po włączeniu pola magnetycznego dipole magnetyczne przyciągały się. Rejestrowano zmianę szczeliny pomiędzy dipolami oraz pole deformacji jako funkcję zmiany pola magnetycznego. Ze względu na symetryczną deformację analizowano próbki z udziałem dipola cylindrycznego (średnica 10 mm, wysokość 10 mm) oraz sferycznego (średnica 12,7 mm) - tab. 1. Eksperyment fizyczny został odtworzony w MES z użyciem modelu 2D dla dipola cylindrycznego oraz 3D dla dipola sferycznego. Dipole zostały poddane przemieszczeniom, takim jak zmierzone w eksperymencie. Obliczenia były prowadzone na platformie MSC Nastran (rys. 4). Do opisu właściwości elastomeru zastosowano model materiałowy NeoHookean. Sprzężenie oddziaływań magnetycznych i mechanicznych uzyskano przez przyłożenie w środkach dipoli ekwiwalentnych sił magnetycznych. W efekcie model MES analizowanej makrostruktury MRE obejmował oddziaływania magnetyczne i elastyczne pomiędzy składnikami kompozytu. Porównano wyniki symulacji i eksperymentów. Dokonano walidacji wprowadzonego modelu numerycznego. W artykule przedstawiono algo- rytm wyznaczania parametrów modelowanej makrostruktury. Pozwala to na wyznaczanie zmiany sztywności próbek MRE pod wpływem przykładanego pola magnetycznego.

EN

The results of modelling of magnetorheological elastomers (MREs) macro- structure using the Finite Elements Method (FEM) are presented. The paper describe two phase method based on the superelement method (Fig. 1, 2). MREs consist of carbonyl-iron particles suspended in a soft elastomer poly- urethane (PU) matrix. Fabrication of MREs has been carried out in an external, constant magnetic field. For the needs of numerical modelling methods a validation of the elementary case of the two magnetic dipoles has been investigated experimentally. Macrosamples were prepared with pairs of ferromagnetic particles of cy- lindrical as well as a spherical shape. The gap distance was established c.a. . of the particles diameter (Fig. 3). The observations were easy while the magnetic field intensity was changed in the range 100÷300 mT. After application of magnetic field the particles started to attract each other like magnetic dipoles. The change in the gap distance between the dipoles and the deforma- tion field was registered as a function of the magnetic field intensity. The case of cylindrical dipole (diameter 10 mm, height 10 mm) and the spherical one (diameter 12.7 mm) were analyzed due to symmetrical deformations (Tab. 1). Consequently the experiment was simulated numerically using the 2D FEM model for the cylindrical dipoles and the 3D FEM models for the spherical ones. The dipoles were loaded the displacements which have been measured experi- mentally. Calculations were performed on the MSC Nastran platform (Fig. 4). The NeoHookean material model was used to describe the properties of the resin matrix. Magneto-mechanical coupling was taken into consideration as a loading equivalence magnetic force in the center of the dipoles. In fact the FEM analysis of MREs macrostructure takes into account both the magnetic power and the elastic vectors and interactions between the components of the composite. The results of calculations as well as the experimental results has been compared. The validation of the base modelling concept was completed. In the paper the algorithm developed for determining of the parameters for modelling of the macrostructure was presented. We are able to calculated the stiffness of MRE changed by magnetic field.

Słowa kluczowe

PL

elastomery magnetorologiczne (MRE); metoda elementów skończonych; modele MES; model sił magnetycznych

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 30, nr 4
• Strony: 256--260
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zubko K.

autor

Boczkowska A.

autor

Niezgoda T.

autor

Szymczyk W.

• Wydział Nowych Technologii i Chemii, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa,

Bibliografia

• [1] Vicente de J., Bossis G., Lacis S., Guyot M.: Permability measurements in cobalt ferrite and carbonyl iron powders and suspensions. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 251 (2002) 100-108.
• [2] Wang D., Chen J.-S., Sun L.: Homogenization of marnetostrictive particlefilled elastomers using an interface-enriched reproducing kernel particle method. Finite Elements in Analysis and Design 39 (2003) 765-782.
• [3] An Y., Shaw M. T.: Actuating properties of soft gels with ordered iron particles: basis for a shear actuator. Smart Materials and Structures 12 (2003) 157-163.
• [4] Farshad M., Le Roux M.: A new active noise abatement barrier system. Polymer Testing 23 (2004) 855-860.
• [5] Kallio M., Aalto S., Lindroos T. and al.: Preliminary test on a MRE device. AMAS Workshop on Smart Materials and Structures SMART’03, Jadwisin (2003) 353-360.
• [6] Zhou G. Y.: Shear properties of magnetorheological elastomer. Smart Materials and Structures 12 (2003) 139-146.
• [7] Lokander M., Reitberger T., Stenberg B.: Oxidation of natural rubberbased magnetorheological elastomers. Polymer Edgradation and Stability 86 (2004) 467-471.
• [8] Lokander M., Stenberg B.: Improving the magnetorheological effect in isotropic magnetorheological rubber materials. Polymer Testing 22 (2003) 677-680.
• [9] Lokander M., Stenberg B.: Performance of isotropic magnetorheological rubber materials. Polymer Testing 22 (2003) 245-251.
• [10] Szurgott P., Boczkowska A., Kurzydłowski K. J., Niezgoda T.: Numerical strength analysis of magnetic fields. Interaction with elastomer materials containing iron particles. III Eccomas Thematic Conference on Smart Structures and Material, CD book of proceedings, Gdańsk (2007).
• [11] Zubko K., Boczkowska A., Kurzydłowski K. J., Niezgoda T.: Modelling of magnetic field effect on magnetorheological elastomers mictostructure. III Eccomas Thematic Conference on Smart Structures and Material, CD book of proceedings, Gdańsk (2007).
• [12] Purcell E. M.: Elektryczność i magnetyzm. PWN, Warszawa (1975).
• [13] Borccea L., Bruno O.: On the magneto-elastic properties of elastomerferromagnet composities. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 49 (2001) 2877-2919.
• [14] Boczkowska A., Awietjan S., Babski K., Wróblewski R., Leonowicz M.: Effect of the processing conditions on the microstructure of urethane magnetorheological elastomers. Smart Structures and Materials 2006: Active Materials: Behavior and Mechanics, ed. by William D. Armstrong, Proc. of SPIE vol. 6170, 28 (2006) CD book of proceedings.