基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计.pdf

文章编号：0258-2724(2023)04-0896-07DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220454磁力应用装备与智能控制基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计董小闵，王凯翔，李坪洋（重庆大学机械与运载工程学院，重庆400044）摘要：为解决传统磁流变阻尼器存在工作介质易沉降、密封要求较高，且中高频激励下阻尼器刚度快速增大，能耗衰减严重的问题，制备并测试了一种沉降稳定性能良好且密封要求低的磁流变复合材料，建立改进的 Herschle-Bulkley 模型用以表征复合材料的力学性能；基于该复合材料设计加工出一种剪切式磁流变阻尼器，并设计实验测试中、高频激励下阻尼器的性能响应规律.研究结果表明：3A 电流激励下，当测试频率由 5Hz 增大至 20Hz时，阻尼器动态刚度由 4.87105N/m 增加到 6.29105N/m，且全频段阻尼器单周期耗能均在 0.04J 左右，验证了所设计的磁流变阻尼器在中高频振动工况下的耗能能力.关键词：磁流变复合材料；改进 H-B 模型；磁流变阻尼器；中高频响应中图分类号：TH122文献标志码：ADesign of Magnetorheological Damper Based onMagnetorheological Composite MaterialsDONG Xiaomin,WANG Kaixiang,LI Pingyang(CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:Traditional magnetorheological dampers involve sedimentary working media,high sealingrequirements,rapidlyincreasingdamperstiffness,andseriousenergyconsumptionattenuationundermedium-andhigh-frequencyexcitation.Inordertoaddresstheseproblems,amagnetorheologicalcompositematerialwithexcellentsettlementstabilityandlowsealingrequirementswaspreparedandtested,andanimprovedHerschle-Bulkleymodelwasestablishedtocharacterizethemechanicalpropertiesofthecompositematerial.Furthermore,ashearmagnetorheologicaldamperwasdesignedandmanufacturedbasedonthecompositematerial,andtheperformanceresponselawofthedamperundermedium-andhigh-frequencyexcitationwastestedbydesignedexperiments.Theresultsshowthatthedynamicstiffnessofthedamperincreasesfrom4.87105N/mto6.29105N/mwhenthetestfrequencyisincreasedfrom5Hzto20Hzunderthecurrentexcitationof3A,andthesingle-cycleenergyconsumptionofthedamperunderthefull-bandisabout0.04J,whichverifiedtheenergyconsumptioncapacityofthedesignedmagnetorheologicaldamperundermedium-andhigh-frequencyvibrations.Key words:magnetorheological composite materials;improved H-B model;magnetorheological damper;medium-andhigh-frequencyresponse磁流变阻尼器是一种半主动智能阻尼器件，与普通液压阻尼器相比，具有阻尼力大、响应时间快、调节范围宽、阻尼力值无级可调、静态功耗少、抗杂质干扰等优点1；由于使用磁流变液代替液压油作为介质，磁流变阻尼器也存在工作介质易沉降2、密封要求较高等缺点3.在施加控制电流后，磁流变阻尼器能根据系统振动输出最佳阻尼力，有效耗散振动能量.因此，磁收稿日期：2022-06-28修回日期：2023-05-09网络首发日期：2023-05-12基金项目：国家自然科学基金（52075056）第一作者：董小闵（1975），男，教授，博士生导师，研究方向为智能机械振动控制与机器人，E-mail：引文格式：董小闵，王凯翔，李坪洋.基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计J.西南交通大学学报，2023，58(4)：896-902DONGXiaomin,WANGKaixiang,LIPingyang.DesignofmagnetorheologicaldamperbasedonmagnetorheologicalcompositematerialsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2023，58(4)：896-902第58卷第4期西南交通大学学报Vol.58No.42023年8月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYAug.2023流变阻尼器已被实际应用于房屋桥梁4、医疗设备5、飞机起落架6、座椅悬架7-8、火炮缓冲9等低频隔振领域.近年来，随着磁流变隔振技术的不断成熟，磁流变隔振技术对于低频振动抑制已有较好效果，然而，在整星隔振等中、高频环境下，磁流变阻尼器的动态刚度会急剧增大，耗能能力大幅衰减.焦小磊等10发现，基于流动工作模式设计的磁流变阻尼器在中、高频振动激励下其动态刚度会急速增大，此时流体阻尼非常小，在工程中应采用其他形式的阻尼给予替代.为解决磁流变阻尼器的高频硬化现象；左曙光等11考虑了液室压力分布和流动局部损失，修正了磁流变阻尼器的高频模型，基于修正模型对阻尼器结构进行优化设计，结果表明，合理选择结构尺寸能够显著降低阻尼器高频硬化现象，但基于修正模型设计的阻尼器仍存在高频激励下耗能减弱的不足；涂奉臣等12设计了带有高频解耦机构的磁流变阻尼器，拓宽了阻尼器工作频率范围，但这种结构增加了限位挡板和活塞之间的间隙，一定程度上降低了阻尼器低频耗能能力.不同于流动式磁流变阻尼器，剪切式磁流变阻尼器的阻尼产生机理为间隙内颗粒受磁场作用形成垂直于活塞运动方向的颗粒链，活塞运动时颗粒链发生变形剪断，提供阻尼并消耗能量，理论上能够有效工作于中、高频振动工况.结合上述研究内容，本文使用一种基于无纺布的复合基体磁流变材料13，用于改善阻尼器工作介质的沉降稳定性，降低密封要求；使用改进的 Herschle-Bulkley 模型（简称 H-B 模型）来表征该磁流变复合材料的力学性能；且使用该磁流变复合材料设计剪切式磁流变阻尼器.目的是设计出一款适用于中、高频激励下的磁流变阻尼器，并建立该阻尼器的精确理论模型，最后设计实验验证该模型和方法的正确性.1 磁流变复合材料制备及其改进 H-B 模型推导在硅油基磁流变液的基础上，增加无纺布作为复合基体，即得到本文所研究的磁流变复合材料（MR 复合材料），其磁流变效应如图 1 所示.外加磁场作用下，吸附在无纺布纤维上的磁性颗粒沿磁场方向形成链柱结构，其固有性能如阻尼、刚度、剪切应力等也随之发生变化.磁性颗粒 无纺布纤维硅油磁场施加方向图1磁流变复合材料的磁流变效应示意Fig.1Schematicofmagnetorheologicaleffectofmagnetorheologicalcompositematerials 1.1 磁流变复合材料制备=5 s1本文使用商用高密度 PP 无纺布（泰昌无纺布企业，密度=16.25g/m3）以及商用磁流变液（G28 牌号，密度 2.96g/cm，20 下零场黏度，重庆材料所，G28-MRF）作为原材料，制备出磁流变复合材料样品，如图 2 所示.其制备流程如下：1）将无纺布裁剪为直径 25mm 的圆形小片，并浸没在盛有异丙醇的烧杯中，将烧杯放入超声波清洗机中超声洗涤 5min，洗涤完毕后倒出烧杯内多余的异丙醇，将烧杯放置于真空干燥箱中，升温至 70后于 7080 温度区间保温 40min，使残留于无纺布上的异丙醇完全挥发，得到洗涤后的干净无纺布；2）将磁流变液倒入锥形瓶内，并使用高速匀质机将其匀质 20min，得到组分均匀的磁流变液；3）取足量均质后的磁流变液倒入烧杯中，将洗净干燥后的无纺布浸没在烧杯内，静置 5min，将该烧杯放入超声波清洗机中超声分散 10min，最后使用镊子取出分散完成的无纺布并放置于干净烧杯内，磁流变复合材料制备完成.图2磁流变复合材料实物Fig.2Magnetorheologicalcompositematerial 1.2 磁流变复合材料的改进 H-B 模型建立磁流变液在零场时呈现牛顿流体特征，在施加磁场后，磁流变液剪切应力发生变化，剪切应力迅速增大.最常用的磁流变液流变特性模型即 Bingham模型，该模型将磁流变液视为带有屈服应力的材料，在剪切应力达到屈服应力后，磁流变液发生剪切流第4期董小闵，等：基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计897 动，剪切应力与剪切速率呈线性关系.然而，磁流变液的黏度随剪切速率上升而迅速降低，为典型的剪切稀化材料.因此，Yang 等14采用 H-B 模型来描述磁流变液应力随剪切速率的变化趋势，如图 3.图中：0为剪切屈服应力；为剪切速率；为剪切应力，与的函数关系为=(y(H)+)sgn ，（1）=K|1m，（2）|式中：y为屈服应力；m、K 为流体常数，且 K0，m0；为当量黏度，当 m1 时，随的升高而下降，呈现剪切稀化现象，当 m=1，=K时，H-B 模型就等同为 Bingham 模型；H 为磁场强度.剪切增稠剪切致稀(m 1)牛顿流体O0Bingham 流体(m=1)0图3磁流变液的黏塑性模型15Fig.3Viscoplasticmodelofmagnetorheologicalfluid15使用无纺布作为复合基体的磁流变复合材料可明显提升磁流变效应，但是 H-B 模型无法描述复合基体对 y的提升效果，因此，本文提出改进的 H-B模型，以更精确地描述磁流变复合材料的流变性能.改进的 H-B 模型表示为=(C0y(H)+)sgn ，（3）=CbaseK|1C1m，（4）C0CbaseC1式中：为复合基体对磁流变效应的综合影响系数，如式（5）；为基体黏度系数，表示无纺布基体对磁流变液黏度的影响系数；为复合基体对剪切稀化效应的影响系数.C0=CabsorbCwtineChardenCfriction，（5）CabsorbCwtineChardenCfriction式中：为颗粒吸附系数，取值0,1；为纤维内部缠绕系数；为纤维硬化系数；为纤维间摩擦系数.CadsorbCadsorb可以看出：当=0 时，表示无纺布基体不含有磁流变液，材料也不具备磁流变效应，当=1CwtineChardenCfriction时，表明无纺布基体完全浸润磁流变液；反映无纺布基体材料中纤维排布方式及密度对磁流变效应的影响；反映单根基体纤维吸附磁性颗粒后，在磁场作用下其硬度变化对磁流变效应的影响；表示剪切过程中纤维内部与摩擦对磁流变效应的影响系数.1.3 磁流变复合材料流变性能测试与结果讨论为测试磁流变复合材料流变性能，为后续的器件设计提供数据支撑，采用流变仪（AntonPar 公司，MRC302）表征不同磁场下磁流变复合材料的剪切应力随剪切速率的变化关系，测试及对比结果如图 4所示.图中：虚线为商用磁流变液实际测试曲线；实线为本文制备的磁流变复合材料测试曲线.204060801000010203040506070MR 复合材料-0.13 TMR 复合材料-0.22 TMR 复合材料-0.31 TMR 复合材料-0.40 TMR 复合材料-0.53 TMR 复合材料-0.60 TMR 复合材料-0.70 TMR 复合材料-0.76 TG28-MRF-0 TG28-MRF-0.13 TG28-MRF-0.22 TG28-MRF-0.31 TG28-MRF-0.40 TG28-MRF-0.56 TG28-MRF-0.60 TG28-MRF-0.70 TG28-MRF-0.06 T/s1/kPaMR 复合材料-0图4不同磁场下磁流变液、磁流变复合材料的剪切应力与剪切速率的关系Fig.4Relationshipbetweenshearstressandshearrateofmagnetorheologicalfluidandmagnetorheologicalcompositematerialsunderdifferentmagneticfields从测试结果可以看出：磁流变液的剪切应力随磁场上升而迅速上升，同时随剪切速率的增大而略微上升；0.40T 磁场对应的磁流变液平均剪切应力为 23.70kPa；最大磁场（0.76T）对应的磁流变液平均剪切应力为 58.03kPa；磁流变复合材料的剪切应力随磁场与剪切速率的变化趋势与磁流变液基本类似，但相同条件下磁流变复合材料的剪切应力明显高于磁流变液；0.40T 磁场对应的磁流变复合材料平均剪切应力为 28.57kPa；最大磁场（0.76T）对应的磁流变复合材料平均剪切应力为 66.58kPa.不同磁场下磁流变复合材料与磁流变液的平均剪切应力对比如表 1 所示.由表可知，在磁场强度相同时，与磁流变液相比，磁流变复合材料的剪切应力均得到明显提升，且剪切应力的绝对提升数值随磁场增大而增大.相比于磁流变液，0.13T 时磁流变复合材料的剪切应力提升量为 1.38kPa；0.76T 时复合材料的剪切应力提升量为 8.55kPa.898西南交通大学学报第58卷表 1 不同磁场下磁流变复合材料与磁流变液的平均剪切应力对比Tab.1Comparisonofaverageshearstressbetweenmagnetorheologicalcompositematerialsandmagnetor-heologicalfluidunderdifferentmagneticfieldskPa磁场强度/TG28-MRF磁流变复合材料00.010.520.133.144.520.227.5510.320.3114.3818.550.4023.7028.570.5336.5544.300.6044.5452.780.7053.3661.490.7658.0366.58为验证改进 H-B 模型的有效性，使用该模型拟合磁流变复合材料测试数据，其结果如图 5 所示，各参数取值如表 2 所示.表中，B 为磁感应强度.10 20 30 40 50 60 70 80 90 100010203040506070测试数据-0.13 T测试数据-0.22 T测试数据-0.31 T测试数据-0.40 T测试数据-0.53 T测试数据-0.60 T测试数据-0.70 T测试数据-0.76 T拟合曲线-0.13 T拟合曲线-0.22 T拟合曲线-0.31 T拟合曲线-0.40 T拟合曲线-0.53 T拟合曲线-0.60 T拟合曲线-0.70 T拟合曲线-0.76 T/s1/kPa测试数据-0拟合曲线-0图5磁流变复合材料实际测试结果与改进H-B 模型拟合曲线对比Fig.5FittingcurvecomparisonbetweenactualtestresultsofmagnetorheologicalcompositematerialsandimprovedH-Bmodel表 2 不同磁场强度下改进 H-B 模型各参数取值Tab.2ParametervaluesofimprovedH-BmodelunderdifferentmagneticfieldstrengthsB/TKmC0CbaseC100.030.5323.300.010.310.13533.007.91.550.891.440.22761.303.91.410.780.660.31954.304.51.390.560.900.401518.004.11.210.840.760.532016.004.91.211.170.920.601377.005.21.190.970.960.701264.004.21.150.710.810.762164.006.91.131.991.97B 0.13,0.76 TC0 1.55,1.13CbaseC1由表 2 可知：在时，且单调递减，结果与表 1 数据呈现的趋势一致；同时，与均随磁场变化而在一定范围内波动，表明磁场变化会影响复合基体磁流变材料的黏度与剪切稀化程度.结合图 5 与表 2 数据可知：改进的 H-B 模型能够有效地表征磁流变复合材料的磁流变效应.2 基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计 2.1 磁流变阻尼器力学模型建立基于磁流变复合材料设计一种适用于中、高频激励下的单杆剪切式磁流变阻尼器，结构简图如图 6 所示.阻尼器左右腔室不填充介质，仅将磁流变复合材料通过黏合剂贴附在活塞外表面，在活塞往复运动时，磁流变复合材料受到轴向剪切并产生阻尼力，同时，复合材料中无纺布基体可以有效提升磁流变效应.1.活塞杆；2.缸筒；3.活塞；4.励磁线圈；5.磁流变复合材料.12345图6阻尼器结构简图Fig.6Damperstructure根据剪切式磁流变阻尼器设计理论，图示活塞结构产生的阻尼力为F=DLghv+DLy(H)，（6）DLgvhL式中：为活塞直径；为活塞总长度；为活塞运动速度；为流动间隙；为活塞有效长度.当采用磁流变复合材料作为剪切介质时，磁流变效应会上升，结合磁流变复合材料的修正 H-B 模型，则阻尼器的力学模型可以表示为F=DLgCbaseK|1C1mhv+DLC0y(H).（7）2.2 磁流变阻尼器设计与磁场仿真bRLcrL1L2在对磁流变阻尼器进行设计时，阻尼单元参数如表 3，阻尼单元示意如图 7，磁场仿真结果如图 8.表 3 中：表中：为缸筒厚度；为活塞半径；为线圈槽宽度；为活塞中心孔半径；为线圈槽间距；为线圈槽深.第4期董小闵，等：基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计899表 3 阻尼单元参数Tab.3Dampingelementparametersmm参数数值参数数值h0.3Lc6.0Lg30r5.0b4.5L19.0R19.2L26.512345LgLcL2L1bhrR1.缸筒；2.阻尼间隙；3.活塞；4.线圈；5.中心孔.0.5L10.5L1图7阻尼单元示意Fig.7Schematicdiagramofdampingelement1.220 0 1050.174 40.523 20.872 11.220 91.570 00.348 80.697 71.046 51.395 3MNB/T图8磁场仿真云图Fig.8Nephogramofmagneticfield由图 8 可知，线圈通电时工作间隙内磁场分布均匀，且在活塞材料接近磁饱和时间隙内磁感应强度达 0.80T，满足磁流变阻尼器正常工作需求.3 阻尼器性能测试与结果分析 3.1 磁流变阻尼器现场测试磁流变阻尼器样机如图 9 所示.使用力学测试与模拟（MTS）测试系统测试磁流变阻尼器的力学性能，测试系统包含 MTS 拉力机、阻尼器夹具、磁流变阻尼器、直流稳压电源和控制电脑，测试系统如图 10 所示，测试参数如表 4 所示.阻尼器具体测试步骤如下：步骤 1将阻尼器安装在 MTS 拉力机上，调整上下接头距离使阻尼器处于行程中间位置；步骤 2通过 MTS 系统选择正弦激励波形，并设置激励振幅；步骤 3设定测试频率，在固定测试频率下分别测试不同电流下阻尼器的特性曲线.图9磁流变阻尼器样机Fig.9Magnetorheologicaldamperprototype123451.MTS 拉力机；2.阻尼器夹头；3.磁流变阻尼器4.控制电脑(PC)；5.直流电源.图10MTS测试系统Fig.10MTStestingsystem表 4 阻尼器测试参数Tab.4Dampertestingparameters名称测试频率/Hz测试振幅/mm测试电流/A取值5,10,15,200.10,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 3.2 测试结果及分析图 11 显示了阻尼器的定频测试示功曲线，曲线斜率表示阻尼器等效刚度，包络面积表示单个周期阻尼器耗散的能量.图中，f 为测试频率.定频测试结果表明：阻尼器输出阻尼力随电流增大而增大，后期增幅减弱，以 5Hz 的测试频率为例，最大输出阻尼力由 0A 时的 35N 增长至 3A 时的 146N，可调范围为 4.17 倍；不同测试频率下各个示功曲线较为饱满，未出现明显畸变现象，说明测试结果良好.图 12 给出了不同频率下阻尼器单周期耗能随电流变化曲线.由图可知，阻尼器单周期耗能随电流规律上升，与已有研究16相比，不存在电流增大到一定强度后耗能曲线下降的现象，证明设计的阻尼器900西南交通大学学报第58卷可以正常工作于中、高频振动工况，符合设计预期.在电流强度相同时，不同频率下阻尼器单周期耗能差别不大，且在电流强度 3A 时，所有测试频率下的单周期耗能均在 0.04J 左右，证明频率对阻尼器单周期耗能影响不大，该阻尼器一直处于正常工作状态，可在中、高频工况下有效耗散振动能量.0.100.060.020.020.060.1018015012090603003060901201501800.5 A1.0 A1.5 A2.0 A2.5 A3.0 A0.5 A1.0 A1.5 A2.0 A2.5 A3.0 A0.5 A1.0 A1.5 A2.0 A2.5 A3.0 A0.5 A1.0 A1.5 A2.0 A2.5 A3.0 A位移/mm0.100.060.020.020.060.10位移/mm阻尼力/N阻尼力/N1801501209060300306090120150180阻尼力/N(a)f=5 Hz0.100.060.020.020.060.10位移/mm(c)f=15 Hz(b)f=10 Hz0.100.060.020.020.060.10位移/mm(d)f=10 Hz1801501209060300306090120150180阻尼力/N18015012090603003060901201501800000图11阻尼器定频示功曲线Fig.11Damperconstantfrequencyindicatorcurves00.51.01.52.02.53.00.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0455 Hz10 Hz15 Hz20 Hz电流/A阻尼器耗能/J图12不同频率下阻尼器单周期耗能随电流变化Fig.12Variationofsingle-cycleenergyconsumptionofdamperwithcurrentatdifferentfrequencies图 13 为不同频率下阻尼器动态刚度随电流变化曲线.由图可见：频率一定时阻尼器动态刚度随电流强度同步上升，这是由于工作间隙中磁流变复合材料随电流上升而逐渐向“类固态”转变，其结构特性不断变硬，导致阻尼器刚度增加；在电流不变时，阻尼器动态刚度随激励频率上升而略微上升，以3A 电流为例，动态刚度由 5Hz 时的 4.87105N/m增加到 20Hz 时的 6.29105N/m，未发现动态刚度剧烈增加的现象，表明设计的阻尼器其“高频硬化”现象并不严重，复合设计预期.0.51.01.52.02.53.001234565 Hz10 Hz15 Hz20 Hz电流/A等效刚度/(105 Nm1)图13不同频率下动态刚度随电流变化Fig.13Variationofdynamicstiffnesswithcurrentatdifferentfrequencies 4 结论本文针对磁流变阻尼器在中、高频激励下出现高频硬化现象，耗能能力下降的缺陷，提出使用磁流第4期董小闵，等：基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计901变复合材料设计的剪切式磁流变阻尼器，结论如下：1）制备了沉降稳定性能良好、密封性能要求较低的磁流变复合材料，并使用改进的 H-B 模型对其进行表征，通过测试对比证明了磁流变织物能明显提升磁流变液的磁流变效应，同时也验证了改进 H-B 模型的准确性.2）基于磁流变复合材料，设计制造出单杆剪切式磁流变阻尼器，并通过中、高频实验测试阻尼器输出性能，结果表明，阻尼器可有效耗散中、高频振动能量，且高频硬化现象不明显，可以有效工作于中、高频振动环境.参考文献：涂建维，朱倩莹，刘凡，等.新型防泄漏磁流变阻尼器的密封构造与力学模型J.土木工程学报，2018，51（增 2）：92-97.TU Jianwei,ZHU Qianying,LIU Fan,et al.NewsealingdeviceandmechanicalmodelofleakproofMRdamperJ.China Civil Engineering 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