某磁流变减振器活塞杆静力学分析

龚光超 汪帆 谈芸芸 尹宗军 苏蓉 周晓国

摘 要：磁流变阻尼器具有简单的结构，消耗能量低，可控可逆等优点，可以应用到汽车的悬架系统中，使得汽车行驶的安全性和舒适性得到很大的提高。文章在CATIA中绘制模型，然后将其导入到ANSYS workbench工作台中，然后设置材料、网格，选择接触点，施加载荷，最后对模型进行有限元仿真分析。经过分析可得磁流变减振器活塞杆因外力产生的应力均在材料的屈服极限之内，满足强度设计要求。

关键词：磁流变减振器;有限元分析;应力云图

中图分类号：U463.33+5.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-138-03

Finite Element Analysis of Diaphragm Spring of Dry-type Double Clutch*

Gong Guangchao1， Wang Fan1， Tan Yunyun1， Yin Zongjun1， Su Rong1，2， Zhou Xiaoguo1*

（ 1.Anhui Institute of Information Technology， School of Mechanical Engineering， Anhui Wuhu 241100;

2.Anhui Institute of Information Technology， Office of the Principal， Anhui Wuhu 241100 ）

Abstract： MR damper has the advantages of simple structure， low energy consumption， controllability and reversibility. It can be applied to the suspension system of the vehicle， which greatly improves the safety and comfort of the vehicle. In this paper， the model is drawn in CATIA， and then it is imported into the ANSYS Workbench. Then， the material and mesh are set， the contact point is selected， and the load is applied. Then the finite element simulation analysis of the model is carried out. The results show that the stress of the piston rod of MR damper is within the yield limit of the material， which meets the strength design requirements.

Keywords： MR damper; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U463.33+5.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-138-03

前言

磁流變液从上个世纪九十年代开始进入科学家的视野。科学家们发现磁流变液不但具有随磁场强度的变化而变化的特点，它还具有可控，可逆等诸多优良性质[1]。他们还发现，磁流变液在不受外加磁场的作用时，其状态是成自由状态分布的，磁性颗粒不会粘在一起，呈现流体的状态;当此时施加一个磁场，磁性颗粒就会立刻被磁化，相互吸引聚集，形成链状或者柱状，呈现类固体状态[2]。科学家们利用这种性质，研究出的磁流变式减振器可以通过改变外加磁场的强弱，来达到控制阻尼力的目的[3]。从而摆脱传统减振器结构尺寸大，能量消耗大，控制效果差，结构复杂笨重，不易更换不可逆的问题，使得悬架系统的性能有了较大的改变[4]。

易成建[5]用有限元软件ANSYS建立了磁流变液的单链力学模型，考虑颗粒的非线性磁化及磁化饱和过程。苏会强[6]从磁流变液本构关系出发，设计了一种回转式阻尼器，建立了磁流变旋转阻尼器阻尼力矩的计算模型，并用ANSYS 9.0软件对其磁场分布进行了仿真。李军强[7]应用基于单元边法的Solid117单元建立了阻尼器的有限元模型，进行了三维静态非线性电磁场分析。本文以某磁流变减振器活塞杆为研究对象，对阻尼器力学性能进行预估，研究活塞杆力学性能。

1 磁流变减振器有限元分析模型

1.1 磁流变减振器活塞杆受力分析

为了增加阻尼器的阻尼力，在阻尼器的上，下端分别设有阻尼通道和带电线圈。其结构如图1所示。当我们把流变式减振器的活塞杆拉伸时，活塞和活塞杆带动活塞上部回收腔中的磁流变流体向上流动。当流变液体被压入阻尼通道，进入内，外缸之间的补偿腔，然后通过下端的环阻尼通道流入活塞下方的压缩腔。类似的，当磁流变式减震器的活塞杆处在向下压的过程时，液体流动方向相反。

在拉伸和压缩冲程期间，当磁流变流体流过上，下环阻尼通道时，压力下降，从而在活塞上，下端的回收腔和压缩腔之间产生压差。压差的大小恰好反映了磁流变阻尼器的阻尼力。其三维图如图2所示。

阻尼力计算方法：工作间隙h=0.6mm，工作缸内径D4= 36mm，活塞外径D2=30mm，活塞杆直径D1=20mm，y= 30～50kpa，速度：0.05m/s、0.1m/s和0.3m/s代入公式（1）中。

（1）

减振器的表观粘度值为0.27pa*s，理论阻尼力计算值如表1所示。

1.2 几何模型建立

1.2.1 绘制活塞杆

在CATIA的草图界面中绘制活塞杆的二维草图。首先绘制一个直径为28mm的圆，返回拉伸界面，通过凸台拉伸实体，将拉伸高度设置为233mm，然后选择拉伸凸台的任何面以在草图界面中绘制，然后拉伸将Boss返回拉伸界面，重复上述操作，直到整个活塞杆的3D模型被拉伸如下图3所示。

1.2.2 模型导入

首先，在未保存的项目工作台窗口中，选择静态结构命令：选择几何，右键单击该命令，选择导入几何，然后选择浏览。选择要导入的模型，然后可以生成模型，双击模型，如下图4所示。

1.3 材料模型的建立

本文磁流变减振器活塞杆材料选取的是Q235-A。假设其材料为各向同性材料，其选取材料参数如下表2所示。

1.4 初边界条件的确定及网格划分

阻尼力根据以下公式（1）计算。磁流变式减震器活塞杆作用力F=1262N。自动网格划分中有5043个活塞杆节点，2759个元素单元和5mm的网格尺寸。在固定结构中增加力：固定的支撑结合力作用在垫圈的底面上，因此活塞杆的底面不能在任何方向上移動;外部压力作用在活塞杆和其他缓冲系统之间的接触部分上，均分外部压力，压力为F=1262N。

2 减振器活塞杆计算结果分析

将分析结果添加到解决方案中，包括等效弹性应变，等效应力和总变形，然后求解。

根据变形云图的颜色，活塞杆的最大变形值为0.495mm，该值出现在活塞杆的顶部，并且活塞杆其他部分的变形从顶部到底部的过渡较小，如图6所示。根据图7，活塞杆的主应力集中最大值为1.969Mpa。通过最大值和最小值的图标，可以准确地确定最大值/最小值的位置。

4 结论

汽车悬架性能是决定车辆品质的重要特性，它影响着汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性以及行驶安全性。磁流变减振

器由于响应速度快、鲁棒性好、低能耗以及易控制等特点，成为了当下人们研究的热点。本文在CATIA中绘制模型，然后将其导入到ANSYS workbench软件进行分析，其流程包括：模型、材料设置、添加边界条件（包括夹具设置和载荷设置）、划分网格、结果分析。结果表明：（1）活塞杆的最大变形值为0.495mm，该值出现在活塞杆的顶部;（2）活塞杆的主应力集中最大值为1.969Mpa，远小于材料的屈服应力。

参考文献

[1] 郭鹏飞，关新春，欧进萍.磁流变液阻尼器响应时间的试验研究及其动态磁场有限元分析[J].振动与冲击， 2009（06）：1-5.

[2] 张红辉，廖昌荣，陈伟民，等.磁流变阻尼器磁路设计及磁饱和有限元分析[J].功能材料与器件学报， 2004（04）：493-497.

[3] 李以农，潘杰锋，郑玲.磁流变阻尼器的有限元参数优化设计[J].重庆大学学报， 2010（05）：35-40.

[4] 兰文奎，郑玲，李以农，等.活塞式磁流变液阻尼器磁场有限元分析[J].农业机械学报，2007，038（004）：142-145.

[5] 易成建，彭向和，孙虎.基于有限元方法的磁流变液微结构磁化及宏观力学特性分析[J].功能材料，2011，42（008）：1500-1503.

[6] 苏会强，郑堤.回转式磁流变阻尼器的设计与有限元分析研究[J]. 2007.

[7] 李军强，臧希喆，赵杰.基于有限元法的磁流变阻尼器三维仿真研究[J].系统仿真学报，2009（17）：342-344+349.