新型磁流变阻尼器的仿真方法研究

2019-02-25李勇涛郑建国

兵器装备工程学报 2019年1期

李勇涛，郑建国

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

磁流变阻尼器(MRD，即Magnetorheological Damper)具有一般减振器件所没有的阻力可控性能，利用流体在磁场作用下的流变特性，对冲击载荷具有良好的控制缓冲效果[1]。磁流变的种类颇多，对应的粘度模型也不尽相同。除了在不同的磁场下表现出不同的屈服应力，在不同的剪切速率下，粘度也可能发生较大改变。在磁流变阻尼器中，流体在间隙处不同的位置也会受到不同的磁化强度[2]。而应用于火炮反后坐的MRD，都具有很高的速度，用常见的动网格模拟方法又很难保证精度。基于以上五点，这给应用于武器反后坐的MRD数值模拟带来很大的困难。对于MRD的仿真研究，大多都以静态局部压力模拟和耦合场模拟为主。耦合场难以明确粘度模型也难以构造模型的动力学模型，而静态模拟阻尼器实际工况也不是各个时刻的静态叠加[3]。到目前为止，还没有一个准确的理论描述磁流变效应，因此在FLUENT(一款流体仿真软件)单纯地导入材料特性并不能准确模拟实际流场的状态[4]。

针对以上问题，作者首先在ANSYS中建立阻尼器活塞模型并对其磁场仿真，得不同区域的BSUM(总磁通密度值)，然后利用ICEM-CFD建立其内部全流场计算模型，进而在FLUENT进行瞬态模拟，通过UDF(用户自定义函数)和基于区域整体运动的方法将拟合出的有关I与τy的式子导入不同的区域参与计算，从而较为精确的仿真出阻尼器工作时不同时刻的内部流场状态。

1 新型磁流变阻尼器结构

研究对象是双杆双通道式阻尼器，其共有4组线圈，轴向两线圈电流方向相反，横向相同。结构示意图如图1。

1.外壳；2.第1层筒；3.第2层筒；4.第3层筒； 5.固定装置；6.线圈；7.内阻尼间隙；8.外阻尼间隙;9.轴

磁流变效应是指体在场作用下，流体的表观黏度发生了巨大的变化，甚至在磁场强度达到某一临界值时，流体停止动而固化并具有定的抗剪切。磁流变效应作为一种殊物理材料，还表现出固体所特有的屈服现象。采用MRF-132LD磁流变液，由于后坐MRD比普通的MRD经历更大的速度，粘度模型选用Herschel-Bukley模型[5]。图2为H-B和bingham剪切屈服应力和剪切速率的关系。0

图2 两种模型的曲线

2 磁流变阻尼器的磁场模拟

在ANSYS中建模并仿真，按照穿过阻尼通道磁感应强度的分布，分为4个区域，在其中分别定义路径，如图3所示。沿着路径对磁感应强度积分，最终将积分后的值除以路径长度，得出均值。分别模拟电流为0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A、3 A、3.5 A时的情况。

图3 区域中定义的路径

图4为2 A电流下路径一的磁感应强度分布曲线，图5为此电流下的云图。图6表示不同的电流下，通道各区域的磁感应强度大小。

图4 路径1磁感应强度分布曲线

图5 磁感应强度分布云图

图6 不同电流下激活区各区域磁感应强度模拟结果分析

1) 从图4可见，除个别点外，同一区域磁感应强度分布均匀差距在0.03T之间，做平均处理比较合理。

2) 从图6可见，区域Ⅰ与区域Ⅲ、区域Ⅱ与区Ⅳ的BSUM值相近，将其视为内外两大区域。内阻尼通道率先有饱和的趋势，外阻尼通道随后。在MATLAB中拟合得到B-I关系：

B1=-0.001 3I3-0.070 9I2+0.513 7I-0.020 8

(1)

B2=-0.006 3I3-0.028I2+0.414 4I-0.016 7

(2)

3 磁流变阻尼器的流场模拟

3.1 计算模型的建立

对活塞两侧腔室上(不包括活塞及其周围区域)部分划分四边形结构化网格为运动变形区。采用三角形非结构化网格对剩余部分划分，此部分为运动非变形区[7]。根据磁场强度分布不同将两个通道划分为10个部分，区域内部边界类型为interior[8]。活塞周围不适合网格光顺或者重构，但是活塞附近一部分关键流动区域在整个运动过程中，形状并未发生变化。令这部分区域作整体运动，将变形区域移到阻尼器两端较为规则的边界区域。后坐时，网格在左端边界生成，在右端边界消亡。该方法最重要特点是要让间隙处的网格随活塞一起运动，这样就方便UDF对流体进行定义，使不同时刻流经通道的流体在激活的对应位置赋予不同的粘度属性。

根据区域状态的不同共分为8个部分，分别合理设置这些区域的网格。共91 218个网格，最小网格高度0.2 mm，最小正交质量为0.55。如图7所示为其整体网格图，图8为通道部分局部网格图，图9为活塞附近区域网格图。

1.运动变形区Ⅰ;2.运动非变形区;3.非激活区;4.激活区Ⅰ;5.激活区Ⅱ;6.激活区Ⅲ;7.激活区Ⅳ8.运动变形区Ⅱ

图8 A通道局部网格图

图9 B区域局部网格图

3.2 计算方法

在PROFILE文件指定运动速度，用插值的方法生成数据驱动边界。通常这一速度应由冲击载荷由理论计算转化产生，但为了避免带来计算误差，这里通过实测火炮后坐速度产生。动网格采用铺层法，分裂率为0.4，合并率设为0.1。

FLUENT中H-B模型粘度公式

(3)

(4)

根据该型磁流变液的数据，采用多项式拟合其屈服应力和磁感应强度的关系，如图10所示为其拟合效果图，拟合得到：

τy=-1.866 06e5B3+2.611 22e5B2-8.162e3B

(5)

图10 拟合MRF的τy-B曲线

仿真初始温度为15 ℃，采用couple求解器，2D轴对称模型。湍流模型选用RNGk-ε模型，由于阻尼器内部压力急剧变化，压力项选用PRESTO!的插值方法。为了提高模拟的准确度，动量方程采用二阶迎风格式离散。时间步长为1×10-5s。

3.3 模拟结果

分别仿真出不同电流下阻尼器内部的工作状态，在Tecplot中分析处理数据,以下数据均为1A时刻。图11为不同时刻活塞附近流体的压力分布云图，0.026 s为速度最大时刻。图12为0.026 s最大速度时刻两个腔室的流线图，图13为0.036 s时刻流体的粘度图。图14位后坐结束时刻速度矢量和粘度云图。

图11 不同时刻部分局部流体压力云图

图12 0.026 s时刻流线图

图13 0.036 s的区域三四附近流体的粘度云图

图14 0.17 s后坐结束时刻速度矢量图和粘度云图

为了进一步验证模型的准确性，取阻尼器压力腔的一点P进行压力测试，如图15。以某小型火炮为实验装备进行小射角(θ<15°)射击实验，并与模拟结果进行了对比，如图17所示。选用压电式压力传感器Y1001型，灵敏度为0.1 pC/KPa，量程为0～30 MPa，非线性小于1%FS，如图16为其传感器安装位置。

图15 压力腔中取点的位置

图16 压力腔压力传感器的安装

图17 压力腔模拟结果与实验数据曲线

3.4 结果分析

1) 图11所示不同时刻部分局部流体压力云图表明，后坐时远离活塞区的流体压力分布比较均匀，非工作腔始终处于低压状态，活塞运动对附近流体产生“吸引”作用，AP1周围出现负压区域，随流动时间的增加而增加。在阻尼通道AP3有较大的压力梯度，且出口出现负压。工作腔压力分布比较均匀。

2) 从图12(a)所示的流线图表明，由于阻尼通道强烈的节流作用，流道内压力下降而流速急剧上升，在出口处形成淹没射流。两股射流碰撞、交汇，由于引射作用，形成漩涡。流动类似于高雷诺数的二维后向台阶流，可以看出在两个较大台阶附近均形成漩涡，漩涡中心形成负压。除此之外在阻尼通道附近还有3个小漩涡。从图12(b) 所示的流线图表明，在工作腔靠近间隙的流体流线弯曲，说明流动变化较大而远离活塞的地方流线分布均匀，近似于层流。

3) 由图13所示的粘度云图可知，在被磁化的区域，远离阻尼通道中心线的流体磁流变液剪切速率较高，粘度较小。而在中心的流体剪切速率较小，轴线附近几乎为零，此时流体粘度很大表现为刚体的特性。对比图18这符合该阻尼器的流动工作模式[10]，一定程度上说明使用的粘度模型和本次仿真的准确性。图14说明当0.17 s后坐停止时，激活区域非激活区流体粘度相差很大，体现了MRF的流变特性。激活区的磁流变液表现出刚体特性其流速几乎为零，起到“关门”作用。而在非激活区，流体由于惯性仍继续有较小的流动但受到“门”的阻碍，所以在碰撞后形成两股小绕流。