磁流變液阻尼器的磁路分析與優(yōu)化

胡江林，吳超群

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

磁流變液阻尼器(magnetorheological damper)作為一種新型智能材料器件，具有出力大、阻尼力可調(diào)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車輛、橋梁、航天等領(lǐng)域的振動(dòng)控制[1]。輸出阻尼力作為磁流變液阻尼器最重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)受磁路結(jié)構(gòu)和材料導(dǎo)磁能力的影響[2]；磁路結(jié)構(gòu)直接影響阻尼通道內(nèi)的磁場(chǎng)分布，進(jìn)而影響阻尼器的阻尼力[3]。以剪切閥式磁流變液阻尼器為例，通過(guò)Ansoft Maxwell對(duì)磁路進(jìn)行電磁場(chǎng)分析并研究磁路主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 磁路結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型

1.1 磁路結(jié)構(gòu)

磁流變液阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)主要由磁芯、勵(lì)磁線圈、活塞桿和活塞外殼組成[4]。當(dāng)勵(lì)磁線圈通電時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成完整閉合的磁回路[5]。磁流變液阻尼器有效工作長(zhǎng)度為線圈槽兩端活塞翼緣的寬度之和[6]。阻尼通道寬度、翼緣寬度、磁芯半徑和活塞外殼厚度為磁路的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文研究的磁流變液阻尼器磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，線圈總匝數(shù)N=210。

表1 初始磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 力學(xué)模型

圖1為磁流變液阻尼器屬于剪切閥式阻尼器，兼具閥式阻尼器和剪切式阻尼器的優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖1 磁流變液阻尼器磁路結(jié)構(gòu)示意圖

閥式阻尼器的阻尼力計(jì)算公式為：

(1)

式中:η為磁流變液的零場(chǎng)粘度;τ為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力；Ap為活塞有效面積；D為缸體內(nèi)徑；v為活塞桿運(yùn)動(dòng)速度；h為阻尼通道寬度；L為活塞翼緣寬度。

剪切式阻尼器的阻尼力計(jì)算公式為：

(2)

剪切閥式阻尼器的阻尼力計(jì)算公式為：

F=Fs+Fv

(3)

因阻尼通道寬度很小，剪切阻尼力比流動(dòng)阻尼力小得多，為方便計(jì)算，通常忽略剪切分量。綜合以上分析，簡(jiǎn)化后剪切閥式阻尼器的阻尼力計(jì)算公式為：

(4)

Ap=Ah-Ag=π(D2-d2)/4

(5)

式中：Ah為活塞面積；Ag為活塞桿面積；d為活塞桿直徑。

本文應(yīng)用的磁流變液產(chǎn)自Lord公司，其型號(hào)為MRF-122EG。根據(jù)樣品手冊(cè)，對(duì)產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到磁流變液的剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系式如下：

τ=393.86B4-874.66B3-558.31B2-

58.313B+2.539

(6)

通過(guò)控制阻尼通道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而改變磁流變液的粘度和剪切屈服應(yīng)力，最終達(dá)到調(diào)控阻尼力大小的目的[8]。

2 磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響分析

2.1 磁路仿真前處理

磁流變液阻尼器為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為方便仿真計(jì)算，將磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維平面軸對(duì)稱模型[9]，采用二維靜態(tài)磁場(chǎng)模塊，選用Inside Selection自適應(yīng)網(wǎng)格對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Maxwell-2D磁場(chǎng)分析模型如圖2所示。

圖2 仿真分析模型

仿真模型各區(qū)域材料設(shè)置如表2所示，設(shè)置激勵(lì)電流i=1 A。

表2 模塊各區(qū)域材料表

2.2 阻尼通道寬度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響分析

磁流變液在阻尼通道內(nèi)發(fā)生磁流變效應(yīng)。保持其它磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)為表1中的數(shù)值不變，設(shè)置阻尼通道寬度取值范圍為0.5～1.3 mm，取值間隔為0.1 mm。

如圖3所示，隨著阻尼通道寬度的增大，外圍區(qū)域的截面增大，阻尼通道內(nèi)的磁場(chǎng)趨于分散，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小。最大磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁芯區(qū)域，當(dāng)阻尼通道寬度為0.5 mm時(shí)，其大小近似為1.6 T，接近材料的磁飽和強(qiáng)度；因此阻尼通道寬度過(guò)小有磁飽和風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 改變阻尼通道寬度的仿真結(jié)果

為觀察阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，設(shè)置阻尼通道中心線為查看路徑，選取翼緣左半段區(qū)間內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度即可得到阻尼通道內(nèi)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。不同阻尼通道寬度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況如圖4所示。

圖4 不同阻尼通道寬度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況

圖4(a)為阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨位置變化曲線，圖4(b)為阻尼通道內(nèi)平均磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線。阻尼通道寬度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較大。當(dāng)阻尼通道寬度由0.5 mm增大到1.3 mm，阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度減小41.23%。由于磁流變液的沉降特性，阻尼通道寬度過(guò)小易造成阻尼通道堵塞[10]；因此阻尼通道寬度不宜過(guò)小，設(shè)計(jì)在0.5～0.7 mm較合適。

2.3 活塞翼緣寬度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響分析

磁流變液在翼緣部分經(jīng)垂直磁場(chǎng)作用下發(fā)生磁流變效應(yīng)。設(shè)置活塞翼緣寬度取值范圍為3～11 mm，取值間隔為1 mm；保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 改變翼緣寬度的仿真結(jié)果

從圖5可知，隨著翼緣寬度的增加，磁芯區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度顯著增大，當(dāng)翼緣寬度增至11 mm時(shí)，磁芯區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.5 T，磁芯區(qū)域有磁飽和風(fēng)險(xiǎn)。不同翼緣寬度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況如圖6所示。

圖6 不同翼緣寬度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況

從圖6可知，隨著翼緣寬度的增加，翼緣內(nèi)的磁通由密至疏，導(dǎo)致阻尼通道的有效長(zhǎng)度雖然增加但磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與阻尼器整體結(jié)構(gòu)尺寸，翼緣寬度設(shè)計(jì)在5～9 mm之間較合適。

2.4 磁芯半徑對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響分析

磁芯半徑為線圈與活塞桿中間的部分，設(shè)置磁芯半徑取值范圍為2～6.5 mm，取值間隔為0.5 mm或1 mm；保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 改變磁芯半徑的仿真結(jié)果

從圖7可知，當(dāng)磁芯半徑小于5 mm時(shí)，阻尼通道內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不明顯。磁芯半徑為2 mm時(shí)，磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度值為1.67 T，有磁飽和風(fēng)險(xiǎn)。不同磁芯半徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況如圖8所示。

圖8 不同磁芯半徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況

從圖8可知，磁芯半徑從2 mm增大至3 mm時(shí)，阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增加。由于線圈匝數(shù)和電流保持不變，雖然磁路并未達(dá)到飽和，但受磁通量的限制，在磁芯半徑增大到4 mm后，磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，增量?jī)H在0.01 T以內(nèi)。因此磁芯半徑設(shè)計(jì)在4～6 mm較合適。

2.5 活塞外殼厚度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響分析

活塞外殼為磁回路的組成部分，設(shè)置活塞外殼厚度取值范圍為2.5～4.25 mm，取值間隔為0.25 mm，保持其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 改變活塞外殼厚度的仿真結(jié)果

從圖9可知，隨活塞外殼厚度的變化，各區(qū)域磁場(chǎng)分布變化情況和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況均不明顯。不同活塞外殼厚度下磁感應(yīng)分布情況如圖10所示。

圖10 不同活塞外殼厚度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況

從圖10可知，活塞外殼厚度對(duì)阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響很小。活塞外殼厚度從2.5 mm增加到4.25 mm，阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度僅增大5.26%，當(dāng)活塞外殼厚度增大到4 mm后，阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度增幅不明顯。活塞外殼厚度過(guò)大會(huì)增大阻尼器外輪廓尺寸，造成材料的浪費(fèi)。因此活塞外殼厚度設(shè)計(jì)在3～4 mm較為合適。

2.6 多因素變量仿真分析研究

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是幾個(gè)參數(shù)同時(shí)調(diào)整，為得到4個(gè)磁路參數(shù)調(diào)整的最佳組合，筆者運(yùn)用正交試驗(yàn)篩選出阻尼通道寬度h、翼緣寬度L、磁芯半徑r和活塞外殼厚度t的優(yōu)化組合。

本次正交試驗(yàn)為4因子3水平實(shí)驗(yàn)，綜合上述研究，為提高阻尼器阻尼力并避免出現(xiàn)局部磁飽和，各因子水平取值如表3所示。以L9(34)正交表確定試驗(yàn)因子組合，如表4所示。

表3 各因子水平取值

表4 實(shí)驗(yàn)因子參數(shù)表

正交試驗(yàn)的仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11可知，參數(shù)組合3和組合9的磁芯區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，易達(dá)到磁飽和狀態(tài)，電流可調(diào)節(jié)的范圍更小。

圖11 正交試驗(yàn)的仿真結(jié)果

不同參數(shù)組合下最大阻尼力對(duì)比如圖12所示，在相同外部激勵(lì)條件下，組合3的最大輸出阻尼力達(dá)到2 300 N，但磁芯區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，磁路接近磁飽和狀態(tài)。組合2的最大輸出阻尼力達(dá)到1 700 N且無(wú)磁飽和風(fēng)險(xiǎn)。相比較于表1的初始參數(shù)組合，組合2的輸出阻尼力增大了70%，參數(shù)組合更加合理。

圖12 不同參數(shù)組合下最大阻尼力對(duì)比圖

3 試驗(yàn)研究

為檢測(cè)經(jīng)磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化后磁流變液阻尼器的性能，現(xiàn)對(duì)樣件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試平臺(tái)如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

參考QC/T545 1999《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》，運(yùn)用INSTRON-1341電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)給阻尼器的活塞桿處施加正弦激勵(lì)，其振幅為4 mm，頻率為1.5 Hz。穩(wěn)壓直流電源給阻尼器施加激勵(lì)電流，電流范圍為0～1 A，增加間隔為0.2 A。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到阻尼特性曲線，如圖14所示。

圖14 改變電流的阻尼特性圖

從圖14(a)可知，示功曲線的包圍面積隨電流增大而增大，且輸出阻尼力也隨之增大；表明阻尼器在一個(gè)周期內(nèi)耗散的能量增多，抑振能力在增強(qiáng)。示功曲線飽滿，無(wú)明顯缺陷和突變；表明阻尼器能量耗散性能優(yōu)良。

從圖14(b)可知，輸出阻尼力隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的增加而增大。當(dāng)電流遞增時(shí)，對(duì)應(yīng)速度特性曲線族逐漸變密，最后曲線族接近重合，體現(xiàn)出阻尼器的磁飽和特性。

綜合上述分析，磁流變液阻尼器的可控性好并具有良好的阻尼性能。

4 結(jié)論

筆者對(duì)磁流變液阻尼器進(jìn)行了磁路分析，研究磁路主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，并對(duì)優(yōu)化后的磁流變液阻尼器進(jìn)行了阻尼特性試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：

(1)阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨阻尼通道寬度增大而減??；隨翼緣寬度和磁芯半徑的增大而增大；活塞外殼厚度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響很小，設(shè)計(jì)活塞外殼厚度時(shí)優(yōu)先考慮阻尼器整體結(jié)構(gòu)。

(2)通過(guò)多因素變量磁場(chǎng)分析確定了磁路參數(shù)的最優(yōu)組合即阻尼通道寬度、翼緣寬度、活塞外殼厚度磁芯半徑分別取0.5 mm、7 mm、3.5 mm和5 mm，輸出阻尼力較優(yōu)化前提升了70%。

(3)阻尼器輸出阻尼力隨電流和激勵(lì)速度的增大而增大，且可控性好；表明阻尼器設(shè)計(jì)合理，具有良好的阻尼性能。