混合模式下磁流变阻尼器设计与仿真_李靖.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n混合模式下磁流变阻尼器设计与仿真李 靖,赵秋然,卢爱文,毛浚丞,吴向凡(徐州工程学院 机电工程学院,徐州 2 2 1 1 1 0)摘 要:本文以一种混合模式磁流变阻尼器为研究对象,基于B i n g b a m模型推导了混合模式下磁流变阻尼器阻尼力表达公式,开展了磁流变阻尼器磁场有限元仿真分析,研究了不同电流工况下工作间隙磁场分布规律,仿真结果表明:工作间隙磁场强度随励磁电流大小增加而增加,电流2.0 A时达到磁流变液磁饱和点。研究结果为磁流变阻尼器设计与减振应用提供了理论指导。关键词:磁流变阻尼器;阻尼力;有限元仿真;磁场 中图分类号:TH 1 3 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 7 3-0 3S t r u c t u r a lD e s i g na n dM a g n e t i cF i e l dA n a l y s i so fM a g n e t o r h e o l o g i c a lD a m p e rB a s e do nM i x e dM o d eL i J i n g,Z h a oQ i u-r a n,L uA i-w e n,M a oJ u n-c h e n g,WuX i a n g-f a n(S c h o o l o fM e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g,X u z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,X u z h o u2 2 1 1 1 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h i sp a p e r,am i x e d-m o d em a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r i su s e da s t h er e s e a r c ho b j e c t,a n dt h ed a m p i n gf o r c e e x p r e s s i o n f o r m u l a o f t h em a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m p e r i nm i x e dm o d e i s d e r i v e db a s e do n t h eB i n g b a mm o d e l.T h e f i-n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i so f t h em a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m p e rm a g n e t i c f i e l d i s c a r r i e do u t.T h em a g n e t i c f i e l dd i s t r i-b u t i o no f t h em a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e ru n d e rd i f f e r e n tc u r r e n tc o n d i t i o n s i ss t u d i e d.T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em a g n e t i c f i e l d s t r e n g t ho f t h ew o r k i n gg a p i n c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o fm a g n e t i z a t i o n.T h e r e s u l t s p r o v i d e t h e o r e t i c a lg u i d a n c e f o r t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fm a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m p e r s.K e yw o r d s:M a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m p e r;F i n i t ee l e m e n t;D a m p i n gf o r c e;M a g n e t i c f i e l d作者简介:李靖,男,江苏省宿迁市人,汉族,本科在读,研究方向为机电控制技术、智能磁性材料及其器件。1 引言磁流变液是由软磁性颗粒、基载液和表面活性剂组成的智能材料,在无磁场的情况下可以自由流动,而在磁场作用下迅速由牛顿流体变为粘塑性性固体1-2。磁流变阻尼器是引入磁流变液作为工作介质的一种新型减振方式,阻尼调控依靠改变外部励磁线圈电流实现,相比于传统机械式、液压式阻尼器,具备响应迅速、调控方便、能耗小和运行稳定等优势,作为一种集传感器、控制器、执行器于一体的新型智能减振装置,磁流变阻尼器在变刚度控制、结构减振等方面具有广阔的应用前景3-4。本文以一种混合模式磁流变阻尼器为研究对象,基于B i n g b a m模型开展了混合模式下磁流变阻尼器阻尼力推导,通过有限元仿真获得了不同电流工况下的磁场分布规律,研究结果为磁流变阻尼器的应用与推广提供了理论指导。2 混合模式下磁流变阻尼器阻尼力理论分析图1所示为混合模式下磁流变阻尼器结构简图,磁流变阻尼器的活塞与缸筒之间的环形间隙为阻尼器工作间隙,励磁线圈密封在活塞凹槽并通过活塞内部通道引出与外界电源连接,励磁线圈由活塞轴上开的导线孔引出,并与电源连接。磁流变阻尼器工作时,励磁线圈通入电流,进而产生图1所示的磁场,在磁场作用下磁流变液迅速发生固-液状态转化,产生阻碍活塞由左右运动的剪切阻尼力,励磁电流越大,磁场越强,产生的阻尼力越大,达到磁饱和状态后阻尼力不再增加;励磁电磁撤销,磁场消失,磁流变液又迅速发生液-固状态转化,恢复初始状态。与传统磁流变阻尼器仅依靠流动模式或剪切模式提供阻尼力,采用流动模式和剪切模式混合工作的磁流变阻尼器可提供的阻尼力是两种工作模式下的总和,可以有效扩大磁流变阻尼器的应用范围。1.缸筒2.阻尼间隙3.磁流变液4.励磁线圈5.活塞图1 混合模式磁流变阻尼器结构简图2.1 流动工作模式下磁流变阻尼器阻尼力推导图2 流动模式下磁流变液速度分布情况图2为在流动工作模式下的磁流变阻尼器上下两极板之间磁流变液的速度分布情况,为了简化计算,阻尼力计算时仅考虑x方向上的磁流变液流动。用B i n g h a m模型来描述粘塑性流体的应力状态,其37DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0072 0 2 3年第8期本构关系为:=s g n()0(H)+|0=0|0(1-1)如图2所示,通磁后磁流变液在上下两极板间流动所产生的剪切屈服应力呈从极板到中心线性减小规律。磁流变液流动模式可分为屈服流动区域和刚性流动区域,流动模式下磁流变液两端会逐渐产生压力差,当由压力差带来的剪切应力值超过两极板附近的临界剪切屈服应力时,区域的磁流变液就会流动起来,区域磁流变液则刚性流动;反之,当由压力差带来的剪切应力值低于两极板附近的临界剪切屈服应力时,磁流变液就不会流动,处于静止状态。通过推导可以得到B i n g h a m模型下磁流变液两端的压差:p=1 2q lb h3+3lhy(1-2)因此流动工作模式下的磁流变阻尼器所具备的阻尼力为:F1=p Ap=1 2q lb h3+3lhyAp(1-3)其中,表示磁流变液屈服状态下的表观粘度,q表示体积流量,l表示平板长度,b表示平板宽度,h表示平板间隙,y表示磁化磁流变液剪应力,Ap表示活塞的有效面积。2.2 剪切工作模式下磁流变阻尼器阻尼力推导图3所示为剪切模式下磁流变液的速度分布情况,剪切模式下磁流变液发生剪切屈服流动。根据B i n g h a m方程式(1-1),剪切应力为:=-y+d ud y(2-1)理想情况下y方向上速度呈线性分布:d ud y=v h(2-2)则剪切工作模式下的磁流变阻尼器阻尼力为:F2=b l=b lhv-2b l y(2-3)图3 剪切模式下的磁流变液速度分布情况因此,混合模式下磁流变阻尼器总阻尼力为两者叠加,即:F=1 2q l Apb h3+b lhv+3l Aph-2b ly(2-4)根据混合模式磁流变阻尼器的阻尼力公式可知,阻尼间隙是影响阻尼力大小和可调节范围的重要因素,阻尼间隙减小可以降低其间隙处的磁阻从而提高导磁率,因此在一定程度上阻尼间隙减小能够提高阻尼力,但是阻尼间隙过小会导致阻尼可调范围减小,因此在进行磁流变阻尼器设计时,应综合考虑阻尼力和可调范围两方面因素。3 混合模式下磁流变阻尼器电磁场分析基于混合模式磁流变阻尼器工作原理和结构,设计了图4所示的磁流变阻尼器,图中1-1 6分别代表防尘罩、防尘圈、导向环、斯特封、左端盖、阻尼通道、活塞轴、右端盖、引线通道、弹簧盖、螺纹、缸筒、线圈、支撑弹簧、O型密封圈和注液孔;磁流变液通过注液孔注入,而后通过密封圈密封,防止泄露,支撑弹簧在磁流变阻尼器失效紧急工况下起到缓冲减振作用。图4 混合模式磁流变阻尼器结构图为了验证混合模式下磁流变阻尼器设计的合理性,采用M a x w e l l软件仿真分析磁流变阻尼器的磁路分布特征,M a x w e l l软件属于A n s o f t公司旗下一款电磁场分析软件,凭借其界面简单、计算可靠等优点迅速获得相关行业从业工程师和研究人员的青睐,M a x w e l l软件具备二维仿真和三维仿真两个模块,其中二维模块M a x w e l l 2 D操作方便、仿真结果精准,可以用来分析各类电磁元件静态、稳态、瞬态下的电磁场分布特征。本文采用M a x w e l l 2 D模块研究混合模式下磁流变阻尼器工作间隙的磁场分布特征。图5 a 2 0钢B-H曲线导入图5 b 4 5钢B-H曲线导入图5 c 磁流变液B-H曲线导入47内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n为了保证励磁电流产生的磁力线最大限度地垂直穿过磁流变液工作间隙,提高磁场利用率,磁流变阻尼器活塞材料选择2 0钢,缸筒材料选择4 5钢,磁流变液产品型号为S G-MR F 2 0 3 5的磁流变液,在M a x w e l l软件中分别导入2 0钢、4 5钢和磁流变液的B-H曲线,如图5 a、5 b、5 c所示。因为所建立的磁流变阻尼器磁路呈对称分布,为简化运算,取1/2磁流变阻尼器模型分析,导入M a x w e l l2 D,图6、图7和图8分别是磁流变阻尼器仿真模型、求解域和仿真边界条件设定以及模型网格划分结果。图6 磁流变阻尼器仿真模型图7 磁流变阻尼器求解域和边界条件设定图8 磁流变阻尼器模型网格划分结果图9 磁流变阻尼器磁力线分布情况有限元仿真结果如图9所示,可以看出,磁力线基本垂直通过工作间隙的磁流变液,表明所设计的磁流变阻尼器结构合理。对磁流变阻尼器施加三种不同的电流,分别得到了0.5 A、1.0 A、2.0 A电流强度下减振器磁感应强度分布云图,如图1 0、图1 1和图1 2所示。图1 0 电流0.5 A时磁感应强度分布云图图1 1 电流1.0 A时磁感应强度分布云图图1 2 电流2.0 A时磁感应强度分布云图 由图1 0、图1 1和图1 2可以看出,在三种电流下工作间隙磁感应强度分别达到了0.2 5 T、0.4 T和0.5 5 T左右,随着电流强度的增大磁流变阻尼器工作间隙的磁感应强度增大,在电流2.0 A时达到了磁流变液的饱和磁感应强度0.5 T,表明在02 A电流范围内,所设计的磁流变阻尼器能较好地连续调节输出阻尼力。4 结论本文推导了混合模式下磁流变阻尼器的阻尼力计算公式,理论分析表明阻尼间隙是影响阻尼力大小和可调节范围的重要因素;研究了混合模式磁流变阻尼器不同电流工况下的磁场分布规律,仿真结果表明,随着电流增大,磁流变阻尼器工作间隙磁感应强度逐渐增大,直至达到磁饱和强度,通过调控励磁线圈电流,该混合模式磁流变阻尼器可以较好地输出阻尼力,满足多种工况减振要求;本文研究内容为磁流变阻尼器的减振应用提供了理论参考。参考文献:1 马胜楠,梁冠群,周福强等.基于磁场及动态响应的磁流变阻尼器结构分析J.机床与液压,2 0 2 2,5 0(2 2):1 1 3-1 1 8.2 刘月辰,黄山云,王强.一种磁流变阻尼器机械滞后模型建立与实验验证J.噪声与振动控制,2 0 2 2,4 2(0 6):2 7 3-2 7 8.3 贾春松,邓鹄,何洪波等.单出杆磁流变阻尼器动力学性 能 测 试 与 建 模 J.机 电 工 程 技 术,2 0 2 2,5 1(0 6):2 9-3 2+1 4 2.4 祝世兴,王璐琦,王博.磁流变阻尼器力学模型改进与分析J.机床与液压,2 0 2 0,4 8(1 7):8 8-9 2+1 0 2.57