Microstructure-Based Multi-Physics Characterisation and Modelling of Magnetorheological Elastomers

基于微结构的磁流变弹性体多物理场表征和建模

基本信息

  • 批准号:
    EP/H016619/3
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.74万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2012 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Magnetorheological elastomers (MREs) are multi-phase, multi-functional composite materials with magnetisable particles suspended in a non-magnetic elastomer solid. The mechanical properties of MREs can be reversibly changed and controlled almost instantaneously by altering an externally applied magnetic field. For this reason MREs are regarded as a class of smart materials and hold promise in many industrial applications (e.g., adaptive tuned vibration absorbers, stiffness tuneable mounts, and artificial muscles). However, a generalised constitutive model for MREs is lacking due to the difficulties to model precisely MREs' nonlinear and anisotropic behaviour (including the nonlinear ferroelectric properties of the particles, the nonlinear mechanical response of the matrix, and the anisotropy caused by the material microstructure and the external magnetic field), making it currently difficult to simulate and optimise the design of MRE applications in a virtual environment. Given the importance of computer aided engineering in today's design methodology, this is clearly a significant obstacle preventing widespread exploitation of MREs. Furthermore, a fundamental understanding of the relationship between microstructure and macroscale behaviour in MREs is essential before improving and tailoring MREs for a specific application can be achieved. This project is concerned with modelling and characterisation of the magnetomechanical behaviour of MREs in the finite deformation regime in order to ultimately understand the structure-property relation of MREs. The goal is to develop the first realistic microstructure-based macroscale magnetomechanical constitutive model for MREs via homogenisation of the multi-physics simulation of representative volume element (RVE) model at the microscale.In the proposed research, true 3D microstructures of various MRE materials will be obtained by MicroCT to develop computational magnetomechanical RVE models of MREs. Macroscale complete magnetomechanical constitutive models will be derived and calibrated through homogenisation of the RVE models. Comprehensive experiments will be implemented and the measured microscale deformation (via MicroCT) and macroscale (homogenised) deformation (via Digital Image Correlation (DIC) system) will be employed to verify the developed microstructure-based RVE models and macroscale models respectively. The models will then be applied to a real engineering problem, the design optimisation of the MRE rubber air springs.This project hinges upon a unique combination of analytical, numerical and experimental work and it will deliver (i) magnetomechanical experimental protocols for MRE materials; (ii) microstructure-based RVE models for MRE materials; (iii) a multi-physics nonlinear FEM solver for magnetomechanical problems; and (iv) a general macroscale constitutive modelling framework applicable to any multi-physics phenomena. The successful outcome of this project will have significant direct impact on both industrial and academic communities.
磁流变弹性体 (MRE) 是多相、多功能复合材料,其中可磁化颗粒悬浮在非磁性弹性体固体中。通过改变外部施加的磁场,MRE 的机械性能几乎可以立即可逆地改变和控制。因此,MRE 被视为一类智能材料,并在许多工业应用中前景广阔(例如自适应调谐减振器、刚度可调支架和人造肌肉)。然而,由于难以精确模拟 MRE 的非线性和各向异性行为(包括颗粒的非线性铁电特性、基体的非线性机械响应以及材料微观结构和结构引起的各向异性),因此缺乏 MRE 的广义本构模型。外部磁场),使得目前很难在虚拟环境中模拟和优化 MRE 应用程序的设计。鉴于计算机辅助工程在当今设计方法中的重要性,这显然是阻止 MRE 广泛利用的重大障碍。此外,在针对特定应用改进和定制 MRE 之前,必须对 MRE 中的微观结构和宏观行为之间的关系有基本的了解。该项目涉及在有限变形范围内对 MRE 的磁力行为进行建模和表征,以便最终了解 MRE 的结构-性能关系。目标是通过微尺度代表性体积元 (RVE) 模型的多物理场模拟的均质化,开发第一个基于真实微结构的 MRE 宏观磁力本构模型。在拟议的研究中,各种 MRE 材料的真实 3D 微结构将通过 MicroCT 获得,用于开发 MRE 的计算磁力 RVE 模型。通过 RVE 模型的均质化,将导出和校准宏观完整的磁力本构模型。将进行综合实验,并利用测量的微观变形(通过 MicroCT)和宏观(均匀)变形(通过数字图像相关(DIC)系统)分别验证开发的基于微观结构的 RVE 模型和宏观模型。然后,这些模型将应用于实际的工程问题,即 MRE 橡胶空气弹簧的设计优化。该项目取决于分析、数值和实验工作的独特组合,它将提供 (i) MRE 材料的磁力实验方案; (ii) MRE 材料基于微观结构的 RVE 模型; (iii) 磁力问题的多物理场非线性有限元求解器; (iv) 适用于任何多物理现象的通用宏观本构模型框架。该项目的成功成果将对工业界和学术界产生重大的直接影响。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Equi-biaxial tension tests on magneto-rheological elastomers
  • DOI:
    10.1088/0964-1726/25/1/015015
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    G. Schubert;P. Harrison
  • 通讯作者:
    G. Schubert;P. Harrison
Mechanical modeling of incompressible particle-reinforced neo-Hookean composites based on numerical homogenization
基于数值均匀化的不可压缩颗粒增强新胡克复合材料的力学建模
  • DOI:
    10.1016/j.mechmat.2013.11.004
  • 发表时间:
    2014-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Yang Chen;Huapeng Chen;Xiongqi Peng;Philip Harrison
  • 通讯作者:
    Philip Harrison
Magnetic induction measurements and identification of the permeability of Magneto-Rheological Elastomers using finite element simulations
The behaviour of magneto-rheological elastomers under equi-biaxial tension
磁流变弹性体在等双轴拉伸下的行为
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  • 作者:
    Philip Harrison
  • 通讯作者:
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