剪切盘式磁流变液阻尼器设计和磁路检测

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1、剪切盘式磁流变液阻尼器设计和磁路检测　　摘要磁流变液阻尼器是新型的智能化吸能装置，文章采用宾汉模型研究纯剪切盘式磁流变液阻尼器的力矩计算模型，并引入磁致力矩与粘性力矩比例，对此类阻尼器磁路设计进行分析，用ANSYS软件分析工作面的复合式磁路设计磁场分布情况。关键词磁流变液；阻尼器；力矩；复合式磁路中图分类号：TB535文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）21-0017-02磁流变液（MagnetorheologicalFluids）是近十年来迅速发展的一种智能材料，通常是一种将微米尺寸的可磁化颗粒分散于母液中构成的悬浮液。无磁场时为牛顿流体，而在强磁场作用下其在

2、瞬间由液体变为粘塑体，其流变性质发生急剧变化，表现出类似固体的力学性质。其固—液转换在毫秒量级内完成，而且去除磁场后这种材料又迅速恢复其流动性，因而其应用前景极为广泛。1磁流变液数学模型1.1微观模型6对于磁流变液的微观结构已经有学者进行了较深入分析，在这里我们假设在上下滑板间充满磁流变液，在外加磁场的作用下，磁流变液中的磁性微粒形成链状结构，链的末端吸附于上下滑板上。1.2本构方程由于磁流变效应的复杂性，目前还没有公认的力学计算模型。最多的是根据实验数据采用优化方法建立阻尼器动力学模型。在保证精度的前提下为简便起见可采用Bingham塑性流体模型描述磁流变体的本构关系。Bing

3、ham流体的流变曲线是剪切应力有初值（屈服应力τb）的直线。其流变方程为剪切应力τ与剪切变形速度成近似直线关系。该模型形式简单、概念清晰，描述阻尼器的力-位移关系物理意义明显，易于实际应用。2盘式阻尼器分析磁流变液剪切盘阻尼器结构图如图1所示，阻尼器为单盘式，磁流变液填充于转动盘与外壁间的空腔内，当盘片由于外部驱动力矩转动时，阻尼器工作于剪切模式，工作面积为半径从R0到R1的圆环面。磁流变液阻尼器的阻尼力的一般形式可表示为：F=Fc+Fm+Fi（1）其中Fi、Fm、Fc分别为流体阻尼力，电磁力及电涡流阻尼力。由文献[4]可知，对于剪切盘式阻尼器，其输出力矩可由如下公式描述：6（2

4、）因为磁致扭矩TB∝磁场强度B∝控制电流I，所以这部分扭矩属于可控阻尼力矩，本文引入可控系数δ（δ=TB/T，TB为磁致扭矩，T为总流体阻尼扭矩）表征磁流变液阻尼器的可控性，用于衡量磁流变液阻尼器的控制效率。1.磁体；2.工作腔；3.磁流变液；4.传动轴；5.密封轴承；6.工作盘图1阻尼器结构示意图3盘式阻尼器磁路分析盘式磁流变液减振器的阻尼力计算理论基本成熟，但此类阻尼器设计磁路设计还需要做进一步的研究。3.1磁路分布类型磁路设计根据形成磁场强度的方式可分为永磁式、电流励磁式、复合式三大类，其中永磁式由于阻尼系数不可调，相当于常规阻尼器，本文在此不进行讨论。电流励磁式就是磁场强

5、度由励磁电流产生，无电流时阻尼力矩由液体粘性提供。复合式磁路是在电流励磁式的基础上增加了永磁体，根据磁场强度矢量叠加的原理进行磁路设计的。适当磁场方向，可以得到两种复合磁场：61）磁场正向叠加，可用一个小励磁电流就产生较大的阻尼力矩，在适当条件下可以降低控制能耗，具有良好的经济性。2）磁场反向叠加，当电流磁场小于永磁体磁场时，随着电流增大，磁场强度变小，直至两者完全抵消。此后电流继续增大，磁场强度同步增大。A型复合磁场由于永磁体磁场的存在，可以持续工作在大阻尼状态下，具有很好的稳定性和经济性。B型复合磁场由于具有工作区域磁场强度先减后增的特性，可以很好地排除剩磁对阻尼系数变化范围

6、所造成的影响，利用达到最大的可控性，是较有发展潜力的一种磁路设计方式。3.2磁场有限元分析有限元模型的建立，应用了ANSYS的Magnetic-edge模块。圆盘式阻尼器为回转式对称结构，取阻尼器过轴心的一个横载面二分之一部分采用二维轴对称模型，模型中磁流变液、工作盘、励磁线圈、永磁体、壳体及其他部分材料，材料相对磁导率分别取为空气等绝缘材料?1=1，金属材料?2=1000，磁流变液?3由B-H曲线给出。模型单元类型选PLANE53（二维8节点实体单元）。因为磁路较为集中，磁漏较少，采用远场INFIN110，指定各材料类型后在ANSYS软件中得到阻尼器模型，按磁场分布规律对模型进

7、行网格划分。图2仿真磁流密度矢量图图3励磁电流-阻尼力矩关系6对模型施加励磁电流载荷，分析求解获得磁路磁流密度矢量图2，磁通集中在工作盘间隙处，且矢量基本垂直于工作盘。3.3实验结果及分析在自制磁流变液阻尼器样机上进行了实验。永磁体部分用恒定电流Is的300匝励磁线圈代替。图3为阻尼器在不同励磁电流（与永磁体部分电流相同方向为负，相反方向为正）作用下，转速恒定为400rpm时的输出扭矩值拟合图。A线Is为0.2A，B线Is为0.4A。得出以下结论：1）阻尼器材料被磁化后，存在一定