某磁流變減振器活塞桿靜力學分析

龔光超 汪帆 談蕓蕓 尹宗軍 蘇蓉 周曉國

摘 要：磁流變阻尼器具有簡單的結(jié)構(gòu)，消耗能量低，可控可逆等優(yōu)點，可以應(yīng)用到汽車的懸架系統(tǒng)中，使得汽車行駛的安全性和舒適性得到很大的提高。文章在CATIA中繪制模型，然后將其導入到ANSYS workbench工作臺中，然后設(shè)置材料、網(wǎng)格，選擇接觸點，施加載荷，最后對模型進行有限元仿真分析。經(jīng)過分析可得磁流變減振器活塞桿因外力產(chǎn)生的應(yīng)力均在材料的屈服極限之內(nèi)，滿足強度設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：磁流變減振器;有限元分析;應(yīng)力云圖

中圖分類號：U463.33+5.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-138-03

Finite Element Analysis of Diaphragm Spring of Dry-type Double Clutch*

Gong Guangchao1， Wang Fan1， Tan Yunyun1， Yin Zongjun1， Su Rong1，2， Zhou Xiaoguo1*

（ 1.Anhui Institute of Information Technology， School of Mechanical Engineering， Anhui Wuhu 241100;

2.Anhui Institute of Information Technology， Office of the Principal， Anhui Wuhu 241100 ）

Abstract： MR damper has the advantages of simple structure， low energy consumption， controllability and reversibility. It can be applied to the suspension system of the vehicle， which greatly improves the safety and comfort of the vehicle. In this paper， the model is drawn in CATIA， and then it is imported into the ANSYS Workbench. Then， the material and mesh are set， the contact point is selected， and the load is applied. Then the finite element simulation analysis of the model is carried out. The results show that the stress of the piston rod of MR damper is within the yield limit of the material， which meets the strength design requirements.

Keywords： MR damper; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U463.33+5.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-138-03

前言

磁流變液從上個世紀九十年代開始進入科學家的視野?？茖W家們發(fā)現(xiàn)磁流變液不但具有隨磁場強度的變化而變化的特點，它還具有可控，可逆等諸多優(yōu)良性質(zhì)[1]。他們還發(fā)現(xiàn)，磁流變液在不受外加磁場的作用時，其狀態(tài)是成自由狀態(tài)分布的，磁性顆粒不會粘在一起，呈現(xiàn)流體的狀態(tài);當此時施加一個磁場，磁性顆粒就會立刻被磁化，相互吸引聚集，形成鏈狀或者柱狀，呈現(xiàn)類固體狀態(tài)[2]。科學家們利用這種性質(zhì)，研究出的磁流變式減振器可以通過改變外加磁場的強弱，來達到控制阻尼力的目的[3]。從而擺脫傳統(tǒng)減振器結(jié)構(gòu)尺寸大，能量消耗大，控制效果差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重，不易更換不可逆的問題，使得懸架系統(tǒng)的性能有了較大的改變[4]。

易成建[5]用有限元軟件ANSYS建立了磁流變液的單鏈力學模型，考慮顆粒的非線性磁化及磁化飽和過程。蘇會強[6]從磁流變液本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，設(shè)計了一種回轉(zhuǎn)式阻尼器，建立了磁流變旋轉(zhuǎn)阻尼器阻尼力矩的計算模型，并用ANSYS 9.0軟件對其磁場分布進行了仿真。李軍強[7]應(yīng)用基于單元邊法的Solid117單元建立了阻尼器的有限元模型，進行了三維靜態(tài)非線性電磁場分析。本文以某磁流變減振器活塞桿為研究對象，對阻尼器力學性能進行預(yù)估，研究活塞桿力學性能。

1 磁流變減振器有限元分析模型

1.1 磁流變減振器活塞桿受力分析

為了增加阻尼器的阻尼力，在阻尼器的上，下端分別設(shè)有阻尼通道和帶電線圈。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當我們把流變式減振器的活塞桿拉伸時，活塞和活塞桿帶動活塞上部回收腔中的磁流變流體向上流動。當流變液體被壓入阻尼通道，進入內(nèi)，外缸之間的補償腔，然后通過下端的環(huán)阻尼通道流入活塞下方的壓縮腔。類似的，當磁流變式減震器的活塞桿處在向下壓的過程時，液體流動方向相反。

在拉伸和壓縮沖程期間，當磁流變流體流過上，下環(huán)阻尼通道時，壓力下降，從而在活塞上，下端的回收腔和壓縮腔之間產(chǎn)生壓差。壓差的大小恰好反映了磁流變阻尼器的阻尼力。其三維圖如圖2所示。

阻尼力計算方法：工作間隙h=0.6mm，工作缸內(nèi)徑D4= 36mm，活塞外徑D2=30mm，活塞桿直徑D1=20mm，y= 30～50kpa，速度：0.05m/s、0.1m/s和0.3m/s代入公式（1）中。

（1）

減振器的表觀粘度值為0.27pa*s，理論阻尼力計算值如表1所示。

1.2 幾何模型建立

1.2.1 繪制活塞桿

在CATIA的草圖界面中繪制活塞桿的二維草圖。首先繪制一個直徑為28mm的圓，返回拉伸界面，通過凸臺拉伸實體，將拉伸高度設(shè)置為233mm，然后選擇拉伸凸臺的任何面以在草圖界面中繪制，然后拉伸將Boss返回拉伸界面，重復(fù)上述操作，直到整個活塞桿的3D模型被拉伸如下圖3所示。

1.2.2 模型導入

首先，在未保存的項目工作臺窗口中，選擇靜態(tài)結(jié)構(gòu)命令：選擇幾何，右鍵單擊該命令，選擇導入幾何，然后選擇瀏覽。選擇要導入的模型，然后可以生成模型，雙擊模型，如下圖4所示。

1.3 材料模型的建立

本文磁流變減振器活塞桿材料選取的是Q235-A。假設(shè)其材料為各向同性材料，其選取材料參數(shù)如下表2所示。

1.4 初邊界條件的確定及網(wǎng)格劃分

阻尼力根據(jù)以下公式（1）計算。磁流變式減震器活塞桿作用力F=1262N。自動網(wǎng)格劃分中有5043個活塞桿節(jié)點，2759個元素單元和5mm的網(wǎng)格尺寸。在固定結(jié)構(gòu)中增加力：固定的支撐結(jié)合力作用在墊圈的底面上，因此活塞桿的底面不能在任何方向上移動;外部壓力作用在活塞桿和其他緩沖系統(tǒng)之間的接觸部分上，均分外部壓力，壓力為F=1262N。

2 減振器活塞桿計算結(jié)果分析

將分析結(jié)果添加到解決方案中，包括等效彈性應(yīng)變，等效應(yīng)力和總變形，然后求解。

根據(jù)變形云圖的顏色，活塞桿的最大變形值為0.495mm，該值出現(xiàn)在活塞桿的頂部，并且活塞桿其他部分的變形從頂部到底部的過渡較小，如圖6所示。根據(jù)圖7，活塞桿的主應(yīng)力集中最大值為1.969Mpa。通過最大值和最小值的圖標，可以準確地確定最大值/最小值的位置。

4 結(jié)論

汽車懸架性能是決定車輛品質(zhì)的重要特性，它影響著汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性以及行駛安全性。磁流變減振

器由于響應(yīng)速度快、魯棒性好、低能耗以及易控制等特點，成為了當下人們研究的熱點。本文在CATIA中繪制模型，然后將其導入到ANSYS workbench軟件進行分析，其流程包括：模型、材料設(shè)置、添加邊界條件（包括夾具設(shè)置和載荷設(shè)置）、劃分網(wǎng)格、結(jié)果分析。結(jié)果表明：（1）活塞桿的最大變形值為0.495mm，該值出現(xiàn)在活塞桿的頂部;（2）活塞桿的主應(yīng)力集中最大值為1.969Mpa，遠小于材料的屈服應(yīng)力。

參考文獻

[1] 郭鵬飛，關(guān)新春，歐進萍.磁流變液阻尼器響應(yīng)時間的試驗研究及其動態(tài)磁場有限元分析[J].振動與沖擊， 2009（06）：1-5.

[2] 張紅輝，廖昌榮，陳偉民，等.磁流變阻尼器磁路設(shè)計及磁飽和有限元分析[J].功能材料與器件學報， 2004（04）：493-497.

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[4] 蘭文奎，鄭玲，李以農(nóng)，等.活塞式磁流變液阻尼器磁場有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2007，038（004）：142-145.

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[6] 蘇會強，鄭堤.回轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的設(shè)計與有限元分析研究[J]. 2007.

[7] 李軍強，臧希喆，趙杰.基于有限元法的磁流變阻尼器三維仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2009（17）：342-344+349.