エラストマーパターンに埋め込まれた強磁性球に対する磁場効果の解析

概要紹介

磁気レオロジーエラストマー(MRE) は、カルボニル鉄などのマイクロまたはナノサイズの強磁性粒子が埋め込まれたポリマーマトリックスで構成される固体のクラスです。この複合微細構造の結果として、これらの材料の機械的特性は、磁場の適用によって制御できます。

MREは通常、ポリマーの硬化プロセスによって調製されます。液状の高分子材料 (例: シリコーンゴム) は、機械的特性を向上させるために、鉄粉やその他の添加剤と混合されます。その後、混合物全体を高温で硬化させます。

磁場の存在下で硬化すると、鉄粒子が鎖のような構造に配列し、異方性材料が得られます。磁場が印加されていない場合、鉄粒子は固体内にランダムに分布し、等方性材料になります。

MRE は、単純な可変剛性デバイスを実現する可能性を秘めています。 MRE の先駆的なアプリケーションは、自動車業界で発表されました。 ＭＲＥが配置されたサスペンションブッシングの剛性を変化させるための新規な方法および装置が発明された。これにより、騒音、振動、ハーシュネスの増加につながるシャダーなどのブレーキングイベントに関連する不満が軽減され、顧客満足度が向上します。

自動車のシャーシ部材に対する縦サスペンション部材の相対変位を制御することにより、これらの問題を解決する。

制御方法は、ブレーキアクチュエータからサスペンションブッシング剛性にブレーキ作動信号を通信し、それに応答して電流を生成する。電流をＭＲＥおよびＭＲＥに動作可能に関連付けられた電気コイルに伝達し、それによって磁場を発生させて、オペレータがブレーキによって引き起こされるシャダーの知覚を低減するようにＭＲＥの剛性特性を変化させる。

MREの産業応用例

防振装置の例は、Liao et al. によって提案されています [2]。これは、MR エラストマーを使用した調整可能な剛性と減衰振動アイソレータで構成されています。

アイソレータは、ベース、磁気コイル、磁気導体、シア プレート、鉄心、MR エラストマー、ボイス コイル モーター、取り付けプレートの各部品で構成されています。調整可能な剛性を提供するために、3 つのコイルを使用して 4 層の MR エラストマーの磁場を生成しました。音声モーターは、せん断速度に比例する力を生成するために使用されました。このようなメカニズムの下で、調整可能な剛性と減衰が実現されます。

図 1 -遼らによって設計された MR エラストマー ベースの防振装置の概略図。

問題の説明

現在のモデルは、エラストマー パターンを取り囲む巻かれたコイルで構成されており、この後者は 2 つの強磁性球体を保持しています。一定の電流がコイルを横切ると、球体間に引力が発生します。

主な焦点は、2 つの強磁性球状体に対する磁場の影響です。球体の引力に関する知識に関する全体的な解析解は、通常、物体の重心に作用する 1 つの集中力の仮定によって単純化されます。このようなアプローチでは、近似結果しか得られませんが、実際の数値モデルでは、離散体の各点での力を決定できます。

図 2 -ソレノイドと球体の寸法。

 SolidWorksでEMSを使用したマルチフィジックス解析

EMS は、磁気機械場間の結合機能により、マルチフィジカル解析を保証します。

この例では、適用された一定の磁場が 2 つの強磁性体の配置に与える影響を理解するのに役立ちます。この連成は一連です。主な目標は、強磁性球にかかる磁力を概説することです。結果として生じる変位とフォン ミーゼス応力は、磁力の知識に基づいて計算されます。

材料

電磁入力

巻かれたコイルは、問題の電流源として定義されます。その特性を以下の表 2 に示します。

表 2 -コイルの特性。

構造入力

図 3 に示すように、エラストマ ボックスの次の強調表示された面に固定拘束が適用されます。

図 3 -モデルの面に適用された固定拘束。

メッシュ生成

FEA モデルから得られる精度は、使用する有限要素メッシュに大きく依存します。有限要素メッシュは、CAD モデルを要素と呼ばれるより小さな領域に分割するために使用され、一連の方程式が解かれます。 EMS は四面体メッシュ要素を使用します。解析の性質とモデルのジオメトリに応じて、EMS メッシュ機能を使用して、メッシュを細かくするか粗くするかを選択できます。

強磁性球に使用されるメッシュを図 4 に示します。正確な磁力計算を取得し、応力と変形の計算に十分な要素を保証するには、2 つの球のメッシュを改良する必要があります。主な焦点は、磁場が通過した後の球の位置の変化にあることを心に留めておく必要があります。

図 4 -鋼球メッシュ。

磁気機械の結果

EMS は、多くのタイプのプロットの可能性を提供します。以下では、磁束密度のフリンジ プロットを観察できます。

磁束密度プロット

 図 5 -エラストマー パターンの磁束密度のセクション クリッピング プロット。

磁力密度プロット

強磁性体の境界には磁力が集中します。これは、2 つの媒体 (非磁性エラストマーと強磁性球体) 間の透磁率の違いによって説明されます。これらの力は、マクスウェル力または磁気抵抗力とも呼ばれ、空気と強磁性体の間など、磁気抵抗の変化が大きい界面に集中します。材料。また、互いに向き合う 2 つの磁石の引力または反発にも関与しています。

図 6 -球体の重心を通る平面の磁力密度。

変位プロット

最大たわみは、図 7 に示すように、エラストマー パターンで発生します。ベクトルの方向は、マクスウェル力の影響下で 2 つの強磁性球体が互いに引き付け合うことを示しています。最大変位は0.11mmです。

  図 7 -球体の重心を通る平面における変位のベクトル プロット。

応力プロット

球体の重心を通る面でのフォン ミーゼス応力プロットを図 8 に示します。応力はエラストマー内でほぼ均一であり、約 1.4 e4 N/m^2 (Pa) に等しくなります。

図 8 -エラストマーのフォン ミーゼス応力 (セクション クリッピングは、球の重心を通る平面によって行われます)。

結論

2 つの強磁性体の磁気構造解析は、EMS for SolidWorks 内で行われます。磁気および機械出力量は、[1] で与えられた実験結果および数値結果とよく一致しています。

磁場と磁束密度のプロットは、非磁性媒体 (この例ではエラストマー パターン) の磁場分布が強磁性体の形状に強く影響されることを示しています。

より高い電流がコイルに印加されると、球体が衝突することに注意してください。

参考文献

[1]: A. Boczkowska, L. Czechowski, M. Jaroniek and T. Niezgoda.2010. Analysis of magnetic field effect on ferromagnetic spheres embedded in elastomer. Journal of theoretical and applied mechanics. Volume 48, issue 3, pp.659-676: Warsaw.

 [2]: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetorheological_elastomer

[3]:Yancheng Li, Jianchun Li, Weihua Li and Haiping Du. Australia 2014. A state of the art review on Magnetorheological elastomer devices. Smart materials and structures. 23(12), pp.1-24.