基于磁流變液阻尼器的拉力器磁路分析

戴畸哲++龔瑤++王富山++王凱++李趙春

摘 要：磁流變材料作為一種新興的智能材料，因其具有良好的磁流變效應(yīng)，而越來越受到學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)磁流變效應(yīng)設(shè)計的磁流變液阻尼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼力大、動態(tài)范圍廣、響應(yīng)速度快等特點，其阻尼力可通過調(diào)節(jié)外加磁場大小來控制，在工程上有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)拉力器存在材料種類單一、拉伸倍數(shù)小、體積大、使用壽命短、重量大、難拆卸、不易攜帶等缺點。該文主要針對磁流變液阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)，利用MAXWELL軟件進(jìn)行磁路仿真。分析了活塞結(jié)構(gòu)的變化對磁流變液阻尼器磁場分布的影響，為磁流變液阻尼器應(yīng)用于拉力器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁流變液 阻尼器 拉力器 磁路仿真

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0018-02

傳統(tǒng)拉力器的主要原理是通過彈簧的伸縮而產(chǎn)生一定大小的力，而這種拉力器存在材料種類單一、拉伸倍數(shù)小、體積大、使用壽命短、重量大、難拆卸、不易攜帶等缺點。磁流變液是由微米級的可磁化顆粒均勻分散在特定載體母液和添加劑中所形成的特殊懸浮體系。在外加磁場作用下，表現(xiàn)出非牛頓流體的特性，在毫秒級時間內(nèi)從自由流動的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w甚至固體，呈現(xiàn)出強烈的可控流變特性。近年來，磁流變液的可控流變特性逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)、車輛工程和武器系統(tǒng)等眾多重要領(lǐng)域[1-2]。根據(jù)磁流變效應(yīng)設(shè)計的磁流變液阻尼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼力大、動態(tài)范圍廣、響應(yīng)速度快等特點，其阻尼力可通過調(diào)節(jié)外加磁場大小來控制，在工程上有廣泛的應(yīng)用前景[3-6]，具有傳統(tǒng)機(jī)械彈簧不可比擬的優(yōu)點。磁流變阻尼器的控制方法，是影響磁流變阻尼器應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素之一，目前已成為磁流變技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注的問題之一，取得了許多有益的研究成果。該文在傳統(tǒng)彈簧拉力器的基礎(chǔ)上采用磁流液阻尼器部分替代機(jī)械彈簧的方法對拉力器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，并對該模型的設(shè)計用MAXWELL軟件對所設(shè)計的磁路進(jìn)行仿真，分析了磁場分布。理論分析及仿真結(jié)果表明拉力器的結(jié)構(gòu)尺寸對磁路的分布有較大影響，為磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能改善提供了依據(jù)。該文重點探討該設(shè)計模型的磁路形成，這對以后的磁流變液阻尼器應(yīng)用于醫(yī)療器材設(shè)備具有參考價值。

1 磁路仿真模型的建立

模型設(shè)計尺寸初步符合阻尼力等設(shè)計要求，但磁場規(guī)律是否符合設(shè)計要求，需要進(jìn)一步的驗證。對此，我們采用MAXWELL磁路分析軟件進(jìn)行磁路仿真。

應(yīng)用MAXWELL軟件進(jìn)行磁路仿真首先需要建立幾何模型，圖1為根據(jù)表1的數(shù)據(jù)所建立的外形幾何模型。

在進(jìn)行磁路仿真分析運行之前需要對所建立的幾何模型所用的材料進(jìn)行屬性定義，且需要加上一定的電流作為激勵，這是產(chǎn)生磁場的必要條件。當(dāng)然，線圈匝數(shù)等參數(shù)的設(shè)定也作為運行前必不可少的條件，這將影響著磁感應(yīng)強度的大小。

2 磁路仿真結(jié)果與優(yōu)化

磁路仿真的結(jié)果反映在磁力線和云圖上，不同的顏色表示不同的磁場強度。圖2為初步模型的磁力線和云圖。

觀察初步模型的磁力線及云圖，基本符合磁場規(guī)律，但最大磁場強度B并沒有達(dá)到設(shè)計的理想值。對此，我們需要對此模型外形尺寸進(jìn)行第二輪的優(yōu)化，由于優(yōu)化外形尺寸始終不能阻尼力大小的設(shè)計要求，即要在滿足設(shè)計要求的情況下優(yōu)化尺寸再來檢驗磁場強度。此時就會用到之前所做的尺寸數(shù)據(jù)設(shè)計程序界面，提高優(yōu)化效率。表2是最終優(yōu)化后的尺寸數(shù)據(jù)。

表2的尺寸數(shù)據(jù)經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化建模后，得到如圖3（a）、（b）所示的磁力線以及云圖。從圖中可以看出，鐵芯部分的磁感應(yīng)強度已經(jīng)達(dá)到飽和。至此，磁路仿真基本達(dá)到設(shè)計目的。

3 結(jié)語

該文旨在探究利用磁流變液應(yīng)用于拉力器設(shè)計的磁場規(guī)律，以及能否產(chǎn)生真正意義上的磁場從而達(dá)到阻尼器的效果。從磁路仿真結(jié)果來看，此模型設(shè)計基本符合磁場規(guī)律。但是，該模型的設(shè)計還沒有從醫(yī)學(xué)角度探究其結(jié)構(gòu)尺寸是否符合人體臂膀張力的舒適度要求以及所用材料進(jìn)一步的強度校核計算。驗證了磁流變液阻尼器在拉力器應(yīng)用中的可行性，為拉力器的科學(xué)設(shè)計提供了新的思路和實現(xiàn)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] Seval G. Synthesis and properties of magnetorheological Fluids： [PhD Dissertation].University of Pittsburgh，2002.

[2] Jolly M R，Bender J W，Carlson J.Properties and applications of commercial magnetorheological fluids[J].SPIE，1998，3327：262.

[3] Yang G， Spencer B F. Large-scale M R fluids dampers modeling and dynam ic performance consideration[J].Engineering Structures，2002，24（3）：309-323.

[4] Carlson J D.What makes a good MR fluid[J].Journal of Intelligent Material System and Structure，2003，13（7-8）：431-435.

[5] 胡紅生，王炅，崔亮，等.磁流變風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計與可控性分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2010，34（3）：342-346.

[6] 鄒明松，侯保林.兩種大噸位磁流變阻尼器的功耗比較與參數(shù)優(yōu)化[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2008，32（6）：719-723.endprint