基于混合模式磁流变阻尼的有限元分析及实验

刘薇娜， 王勐

（长春理工大学，长春130022）

0 引言

磁流变液是由微米级的磁化颗粒分布于非导磁载体液中所形成的悬浮液。通过控制磁场强度可达到对磁流变液流变特性的控制。在磁场作用下，磁流变液可从自由流体状态瞬间变成固态。其微观结构中弥散的导磁颗粒产生偶极距，通过极偶子之间的作用，形成与外加磁场方向平行的链状结构。这些链状结构的产生大大限制了液体的流动。利用这一特性，通过改变磁场强度，即可产生相应的力和力矩。根据这一特性制成的机械装置主要有阻尼器、离合器制动器和变速箱等。

与磁流变阻尼器相比，传统的液压阻尼器是通过调整位于活塞内的特定液压阀实现机械操控，这种阻尼器调整周期往往比较固定，对于复杂的振动信号阻尼效果不是很理想，因此开发和研制出半主动控制磁流变阻尼器越来越受到研究人员的青睐。

1 磁流变阻尼器简介

许多研究人员对磁流变阻尼器的应用进行了大量的实验，他们发现磁流变阻尼器的工作模式通常分为4种：流动模式、剪切模式、挤压模式以及基于它们3种的混合模式。前3种模式是根据磁流变液在两极板之间不同的工作条件划分的。流动模式中磁流变液在压力和阻尼力的共同作用下，沿两固定极板之间流动，在剪切模式中，磁流变液位于两相对运动的极板之间产生剪切阻尼力。在挤压模式中，一极板固定，另一极板通过调整两者间距对磁流变液产生挤压效果。大量的研究结果表明，剪切模式和挤压模式会产生较大的阻尼力，且可调范围广。同时，在剪切模式下，磁流变液可避免在高磁场状态下产生固化状态。但与其他模式相比，来自磁流变效应产生的阻尼力相对较小，在挤压模式中，虽然可产生较大阻尼力，但这一工作模式只能在一个非常小的振动区域内才能有效工作。一些研究表明，相比于单一的工作模式，这些工作模式的混合可以达到性能的改进。使用多个流体模式的磁流变阻尼器是为了克服单一模式的缺点。例如埃尔西瓦德和马克尤恩结合挤压模式与剪切摸式，可获得更好的阻尼力，他们使用的两个电磁线圈产生的磁场电流范围从0～0.1 A。该实验结果表明，在混合模式下，只用一半的电流即可产生与单一挤压或剪切模式下相同大小的阻尼力。此外，琼恩等利用基于混合模式的磁流变阻尼器为小型的建筑设施提供抗震装置。他们证明相比于单一剪切模式或挤压模式，应用混合模式的磁流变阻尼器可针对小激励产生大阻尼力，且在高磁场强度下不会导致锁止状态的发生。同时，琼恩开发研制基于混合模式的新型柔性梁结构，用以削弱外部振动带来的干扰。

应用有限元分析软件来模拟由磁流变阻尼器在电磁回路中产生的磁场。然后通过磁场分析来进行实验以观察阻尼器的性能。

2 阻尼器的模拟实验

图1所示为加文等设计的磁流变阻尼器的设计理念。阻尼器的设计包括不同的几何尺寸，分别为：极性线圈在活塞筒上的缠绕长度L1、活塞直径DD,活塞杆直径DR、工作间隙S，阻尼通道长度S1，活塞杆长度LD和活塞长度T。该阻尼器主要为工作活塞和阻尼器筒。在活塞上串联缠绕3种不同的线圈。与用单一线圈缠绕相比，这种缠绕方式的优点在于可以降低电路中其余部分的电感强度，即可缩短响应时间。磁流变阻尼器阻尼力主要来源于阻尼器的有效工作区。剪切模式和挤压模式需要较大的激活区域才能获得较大的阻尼力。对于单级活塞阻尼器，随着激活区域中流体间隙的不断增大，会大大降低阻尼器的敏感性。因此，对于多线圈阻尼器的设计往往要求在约束体积的前提下通过调整工作间隙的大小来获得相应的阻尼力。

如图1所示，两线圈缠绕的方向彼此相反用以产生磁场。磁场方向通过图中箭头表示。线圈的符号为正表示线圈按顺时针方向缠绕，线圈为负表示线圈按逆时针方向缠绕。线圈的交变极性可以活塞两相邻剪切面的磁场强度。通过改变施加电流的大小和工作区域来获得较高的磁场强度。在这项研究中选用的26AWG铜丝,其截面直径0.4 mm、最大通过电流约为0.4 A，线圈在活塞上共缠绕750匝，此外，在顶部和底部端盖上缠绕625匝线圈。

2.1 材料和设备

MRF-132D液体，是一种烃类磁流变液体，由美国福特公司开发研制，用于各种混合模式下的磁流变装置，如阻尼器、制动器和离合器等。图2给出被测MRF-132DG磁流变液的磁感应曲线，该B-H曲线近似呈线性的磁学性质。

图1 磁流变阻尼器结构设计图

图2 磁流变液磁化特性曲线（B-H）

磁流变液本身的磁学性质是磁流变阻尼器电磁电路设计的重要依据之一。通过有限元软件来模拟和分析基于混合模式阻尼器中的电磁电路磁场。通过输入阻尼器的几何尺寸、材料、线圈匝数以及电流大小等重要参数来完成磁场强度分布的模拟。此外，非导磁材料的磁学性质被假定为线性。而导磁体的磁学性质被假定遵循软件本身给出的B-H曲线。

2.2 磁场分析

磁流变阻尼器的电磁电路设计的目的是为了找到有效区域内的最佳磁通密度从而获得阻尼器的最佳设计。这是磁流变阻尼器最重要的研究领域。在阻尼器的磁路设计中，应使得阻尼通道内的磁场强度最先达到饱和。因此设计一个新的阻尼器需要测定多个参数。为了得到磁流变阻尼器磁场强度的最佳值，需要调整8个不同参数：材料选择，线圈极性，活塞和活塞杆长度，剪切和挤压间隙，活塞直径和外壳厚度。如图3给出磁流变阻尼器模拟磁通密度的分布。阻尼器中的磁场被视为集中由电磁线圈产生。磁感线通过活塞、活塞杆以及磁流变液构成闭合回路。磁场强度的增加会大幅改变阻尼器的性能指标。该阻尼器由缠绕在活塞缸以及顶部和底部端盖的线圈产生磁场。在该阻尼器中缠绕在活塞缸区域内的线圈工作时应具有产生满足磁流变液的最大屈服应力的能力。为了增加整个有效区域的磁场强度，磁通在阻尼器中的长度应设计成最小化。对于上述要求，应采用合理的结构设计和适当的材料来保证磁通沿着活塞、活塞杆、顶部和底部端盖构成闭合回路。

图3 模拟MR阻尼器磁通密度分布

如图4～图6所示的为当线圈输入0.4A电流工作间隙设定在1～2 mm磁通密度的分布图。分别沿阻尼通道的长度取磁通密度的平均值。图5所示为沿工作间隙中心线方向的磁通密度分布图。图5（a）中磁感线的方向垂直于在剪切模式下磁流变液的流动方向。此外，极性相反的线圈用以产生更多的磁通线。有3组线圈在阻尼器3个不同方位上产生的磁通线经过互相干涉，在活塞杆上形成3个峰值。分别为峰1、峰2、峰3。各峰值的平均值分别为 0.079T、0.066T、0.040T。图6为挤压工作模式下磁通密度分布图。图中红色居中线代表磁场强度的平均值。挤压间隙的磁场强度的平均值为0.2T，磁场强度值几乎从中央区域开示增加，然后距阻尼器的中心约7mm处，磁通密度值逐渐减小，14 mm过后，磁通密度几乎衰减为0。

图4 基于混合工作模式下的磁通密度分布图

图5

图7

2.3 外加电流的影响

图7 所示为当施加不同大小的电流时，阻尼器内各部分磁通密度的分布情况。图7表明，随着电流从0.1 A增加至0.4 A，剪切和挤压区的磁通密度不断增大。图7（b）为挤压模式下的平均磁通密度分布图，从图中可以看出，当距离从10 mm增至14 m时，曲线趋于靠拢，并逐渐衰减为0。挤压模式下磁通密度的平均值取自活塞底部的中心线。

2.4 初始间隙大小的影响

图8所示为当外界施加相同大小的电流时，初始间隙从2 mm降至0 mm时磁通密度的分布情况。从图8中可以看出随着初始间隙的增加，磁通密度反而减小。

图8 不同强度电流下磁通密度随初始间隙尺寸变化分布图

3 结论

通过模拟实验来分析影响阻尼器磁通密度分布情况的因素。了解剪切模式和挤压模式下，电流强度和初始间隙的变化对磁通密度分布影响，为阻尼器的进一步设计提供了参考数据。应用单一变量分析法有助于对阻尼器的电磁学性质进行全面的分析了解。

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