基于FLUENT的磁流变阻尼器阻尼特性分析

吴俊岐，侯保林

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

【机械制造与检测技术】

基于FLUENT的磁流变阻尼器阻尼特性分析

吴俊岐，侯保林

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

以某新型磁流变阻尼器为研究对象，利用前处理软件ICEM-CFD和FLUENT建立阻尼器内部空腔的流场模型，针对FLUENT无法直接模拟流动过程中材料性质变化，提出利用UDF来对仿真计算中使用的Herschel-Bulkley黏塑性流体模型进行定义的计算方法，实现牛顿流与黏塑性流的混合仿真计算。通过对比不同磁通密度以及不同活塞杆运动速度条件下阻尼器的阻尼力输出，分析磁流变阻尼器的阻尼特性，得到磁流变液对阻尼器阻尼力输出的影响规律。

磁流变阻尼器；FLUENT；阻尼特性分析；建模仿真

磁流变液(Magnetorheological Fluids,MRF)是一种新型的功能型材料，是由微米级的磁化颗粒混合于某种低磁导率的液体中制备而成。主要成分包括：软磁性颗粒、基载液以及为了防止颗粒沉降而包覆在颗粒表面的添加剂，磁流变液可以在一定的磁场条件下产生磁流变效应。磁流变效应是在无磁场作用下，磁流变液呈牛顿流体的特性，而在强磁场的作用下，其流变特性发生急剧的变化，表现为类似固体的性质，撤去磁场时又恢复其流动特性的现象[1]。整个磁流变效应的响应过程非常迅速，在毫秒级。整个变化过程中液体的黏度连续，变化过程可逆且易于控制。基于上述优点，磁流变液在土木建筑，航空航天，军事装备等领域的应用前景十分广阔。目前国内国外对磁流变液都进行了大量的研究，因此磁流体的生产也取得了较大的进展。

磁流变阻尼器是一种以磁流变液为基液的新型阻尼器，可以便于实现阻尼力的实时连续控制。传统的阻尼器基液为普通液体，因此阻尼器所能承受的阻尼力有限且不可控，如传统的火炮后坐阻尼器，当阻尼器的各主要结构尺寸确定后，阻尼器的阻尼力输出也将确定，此时火炮的后坐行程与后坐速度都是近似固定值，磁流变阻尼器的出现改变了这一现状，并且可以基于现有的阻尼器进行改进，无需完全重新设计。本文以某新型磁流变阻尼器为研究对象，提出了以利用FLUENT为仿真软件，结合使用UDF(User-Defined Function)编写的第三方程序为控制程序来模拟磁流变阻尼器的内部牛顿流与黏塑性流的计算方法。

1 磁流变阻尼器的工作原理

磁流变阻尼器的内部磁场由线圈环绕软磁材料而成的电磁铁提供。线圈环绕的区域外侧，无磁流变效应，这部分区域成为非激活区；而在阻尼间隙的其他区域，磁场方向垂直于液体流动方向，会产生磁流变效应，可以通过控制线圈中电流的大小来改变磁流变效应程度，称这部分区域为激活区。为了有效地改变阻尼力的大小，在阻尼器的中间软磁体和内软磁体上从左到右各布置了两股线圈。

图1是磁流变阻尼器的简图。阻尼器在受到外部作用力的状态下，活塞杆带动磁流变阀向左移动，内部的磁流变液通过阻尼间隙向右移动。流经阻尼间隙的流变区域的过程中，磁流变液受到磁场的作用，表观上体现出的变化是黏度增大，内部剪切力增大，会瞬间转变为接近固体状态的黏塑性体[2]，随着流体压力的持续增大，磁流变体会克服材料的剪切屈服应力点继续流动，流出磁流变阀后，阻尼间隙中的磁流变液恢复牛顿流体状态。

1.阻尼器外筒; 2.外软磁体; 3.外阻尼间隙; 4.中间软磁体; 5.内阻尼间隙; 6.线圈; 7.内软磁体

图1 阻尼器简图

2 磁流变液动力学模型研究

关于磁流变阻尼器的分析与仿真计算，最根本的还是基于磁流变液的黏度、屈服极限、临界应变率等材料特性的计算。磁流变液在磁场的作用下，内部的软磁性材料被磁化，形成磁偶极子，彼此间相互吸引，从而形成抗剪力。在受到外磁场作用的前提下，磁流变液的剪切应力会随着剪切应变的变化而变化，整个过程分为渐变区、屈服区、稳定区3个阶段[3-4]。磁流变液的材料特性在每个区段都有各自的特点。

常用磁流变阻尼器动力学模型有Bingham模型、Herschel-Bulkley模型、非线性双黏度模型、修正的Bingham模型等等。Bingham模型简单易懂，现有的许多文献采用的多是Bingham模型描述磁流变液在磁场作用下的行为，但实际情况下，磁流变液在剪切率变化的过程中会出现剪切致稠或稀化现象，Bingham无法描述这一现象。Herschel-Bulkley模型则可以模拟上述现象，因此使用 Herschel-Bulkley模型进行计算(如图2所示)。在模型中,引入一个表征磁流变体剪切稀化的系数因子,在不同的外加载荷下具有不同的系数。

Herschel-Bulkley模型的本构方程为[5-6]

(1)

(2)

由此可知材料黏度是随着剪切应变率幂次方的变化而变化的，此时Herschel-Bulkley模型的本构方程可表示为

(3)

当n=1时，Herschel-Bulkley模型就退化成了Bingham模型，nlt;1表示剪切稀化，ngt;1表示剪切致稠[7-8]。

为便于计算，流体黏度直接使用ANSYS/FLUENT的Herschel-Bulkley黏度表达式，查阅ANSYS/FLUENT的帮助文件，得到Herschel-Bulkley模型黏度变化规律定义如下：

(4)

（1）PoW。寻找随机数n，使得：SHA(SHA(v||hp||t||n||hm))

τ0(B)=-86.51B3+122.56B2+17.42B-0.877

(5)

由式(5)可以看出，剪切屈服应力大小与磁场强度B有关，相同的磁流体前提下，通过控制磁场强度，即线圈的电流强度就可以控制黏度和剪切力的变化，进而控制阻尼器的阻尼力。

3 阻尼器阻尼力计算

3.1 流场的建模分析

首先利用三维建模软件对流场区域进行建模，之后用ICEM-CFD(Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)对流场区域进行网格划分，采用三维建模方法，网格全部采用六面体的非结构化网格。由图1可以看出，整个流场区域的激活区与非激活区是连接在一起的，磁流变液在流经激活区与非激活区的过程当中液体的黏度以及屈服应力是变化的，由于无法通过FLUENT直接模拟这一现象，因此考虑使用UDF控制流体的黏度和剪切屈服应力的变化，核心思想是在ICEM中将激活区和非激活区定义为不同的part，之后通过UDF读取part的ID进而对不同区域赋予不同的材料属性，如图3所示是UDF的程序流程框图。由于UDF是基于C语言的一种开发环境，因此程序的格式与C语言程序格式完全相同，程序中用到的指令都是UDF的库文件命令，将程序挂载到FLUENT中之后编译，在设置材料黏度的时候直接使用。

图3 UDF程序流程

本文用流动模式模拟剪切模式下流体的力学特征[9]，由于仿真计算中用到的是不可压缩黏性流体，因此求解域的入口速度即为阻尼器活塞杆的运动速度；出口处的相对压力设置为0，壁面为固定壁面。

3.2 阻尼力计算分析

关于磁流变阻尼器的分析与仿真计算，最根本的还是基于磁流变液的黏度、屈服极限、临界剪切应变率等材料特性的计算。磁流变液在磁形将网格导入FLUENT中进行计算，图4所示的是计算所用材料的屈服应力—磁通密度关系曲线，根据对磁流变阀处的分析计算(见图5)，可以得到激活区中的最大磁感应强度约为0.471T，利用式(5)计算出对应的入口速度以及不同的磁通密度(不大于0.5T)来计算对应的流场的压力，进而得到磁流变阻尼器的阻尼特性。

图4 MRF-132LD磁流变液屈服应力与磁通密度关系

图5 磁流变阀内电流与磁通密度关系

3.3 计算结果

可以看出，流体黏度的变化是按照程序的设定而分布的，在非激活区中黏度为0.3 Pa·s，在激活区中则是按照Herschel-Bulkley模型规律变化。再由计算的压力数据，最终得到的不同磁场情况下磁流变阻尼器在不同活塞速度下所产生的阻尼力，如图7所示。

图6 流场黏度分布

图7 阻尼器阻尼力与活塞速度关系

从计算结果可以看出，在速度不大于2 m/s的情况下，磁流变效应对阻尼器的阻尼力影响较大，电流从0 A增大到2 A可以使阻尼力翻倍增长，活塞杆速度为2 m/s时，0.5T时的阻尼力比0T时的阻尼力增加了124.3%，这是因为在速度较小的情况下，流体的黏塑性力大于惯性力，因此黏度的变化可以极大地影响阻尼力的变化[10]。当速度超过2 m/s时，流体的惯性力增大，因此调节黏度的大小对阻尼力的影响有限。当活塞杆的速度为10 m/s时，0.5T时的阻尼力比0T时的阻尼力增加9.8%，阻尼器的可控性依旧很明显。因此，在受到相同外力条件下，磁流变阻尼器活塞杆的移动距离是可调的。

用计算所用阻尼器来承受火炮后坐力，火炮的后坐运动方程如下[11-12]：

(6)

其中：mh为后坐部分质量；x为后坐行程；t为后坐时间；Fpt为炮膛合力，同一弹丸有相同的Fpt；FMR为阻尼器阻力；Ff为复进机力。由式(6)可以看出，对于同一弹丸，使用相同火炮发射时，改变磁流变阻尼器中电流的大小就可以改变火炮的后坐行程与后坐速度。

4 结论

仿真结果表明，在一定范围内(磁通密度饱和前)，通过改变线圈内电流的大小改变磁流变阀内部的磁场强度，可以有效改变磁流变液的剪切应力，达到控制磁流变阻尼器阻尼力的目的。

UDF程序不只针对文中使用的模型而专门编写的，它也适用于其他阻尼器模型。针对不同的磁流变液以及阻尼器的结构，通过修改程序的参数就能够进行仿真。

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(责任编辑唐定国)

AnalysisofDampingCharacteristicsofMagnetorheological(MR)DamperBasedonFLUENT

WU Junqi, HOU Baolin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A new type of MR damper is taken as the research object, by using preprocessing software ICEM-CFD and FLUENT, it establishes the flow field model of the internal cavity of the damper. For the fact that FLUENT simulation can not directly change the properties of the material during flow process, it proposed the use of UDF to define the Herschel-Bulkley viscoplastic fluid model used in simulation calculations. And then the hybrid simulation calculation of Newton flow and viscoplastic flow is realized. By comparing the different magnetic flux densities and the damping force output of the dampers under different piston rod motion conditions. We analyzed the damping characteristics of MR damper, and the effect rule of MR fluid on the damping force output of the damper was obtained.

magnetorheological damper; FLUENT; damping characteristics analysis; modeling simulation

2017-07-02；

2017-07-31

国防973项目子课题(6132490102)

吴俊岐(1992—)，男，硕士研究生，主要从事机械设计与仿真研究；侯保林(1965—)，男，教授，博士生导师，主要从事火炮、自动武器、弹药工程研究。

10.11809/scbgxb2017.11.031

本文引用格式：吴俊岐，侯保林.基于FLUENT的磁流变阻尼器阻尼特性分析[J].兵器装备工程学报，2017(11):142-145.

formatWU Junqi, HOU Baolin.Analysis of Damping Characteristics of Magnetorheological(MR) Damper Based on FLUENT[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):142-145.

TH113

A

2096-2304(2017)11-0142-04