温度影响下磁流变阻尼器的力学性能研究

吴赞翊

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

磁流变液(MRF)是一种力学特性随外加磁场变化而瞬时发生变化的新型智能材料，主要成分是软磁性颗粒、基载液和一些添加剂。在外加磁场下，磁流变液的流变特性转化为类固体性质的流体，且转化速度非常快，在ms级。磁流变阻尼器是一种以磁流变液为载液的新型阻尼器，具有阻尼力大、响应快、阻尼力连续可控等优点[1]。

磁流变液的力学特性与温度密切相关。磁流变阻尼器运作过程中的液体黏性耗散与线圈长时间通电的发热会使温度上升，导致磁流变液黏度与屈服应力变化，从而影响阻尼力的输出性能和阻尼器的正常工作。因此有必要探究温度变化对磁流变阻尼器力学性能的影响。WANG D M等[2]对自行制备的磁流变液在不同温度下测试得到黏度降低71.6%，屈服应力降低11.52%。胡海刚等[3]对磁流变阻尼器测试了温度对阻尼力的影响，验证了温度效应下的Bouc-Wen模型能够描述不同温度下的阻尼特性。

本文针对温度对磁流变阻尼器力学性能影响问题，使用磁流变阻尼器温度特性测试实验系统对不同温度下阻尼器进行测试，并通过实验结果与温度影响下Herschel-Bulkley模型来探究温度影响下的磁流变阻尼器的力学性能。

1 磁流变阻尼器结构设计及原理

本文使用的磁流变阻尼器结构示意图如图1所示。

1—外筒；2—铜线圈；3—活塞；4—间隙通道；5—螺塞；6—堵头；7—基液腔。图1 间隙式阻尼器结构

磁流变阻尼器内部的磁流变液在磁场作用下会呈现强屈服应力，内部附加磁场由两个缠绕在中间活塞上的通电铜线圈产生。磁场覆盖的区域称之为激活区，而磁场没有覆盖区域称为非激活区。因此这种设计可以通过外部改变电流的方式，来控制磁流变阻尼力的大小。

2 磁流变阻尼器温度影响分析

2.1 磁流变阻尼器流动力学模型

在描述磁流变液力学特性上，大部分文献常常使用简单的Bingham模型来描述，但该模型不能体现剪切率变化下剪切稠稀化现象，而引入流体行为指数的Herschel-Bulkley模型能解决这个问题。

Herschel-Bulkley本构方程为

(1)

建立平行板流动模型，平行板流口磁流变液流动速度分布图如图2所示。

图2 平行板流口磁流变液流动速度分布图

流过平行板流口流量Q计算公式可表示为

(2)

式中：v0为活塞杆速度；Ap为活塞横截面积；Ar为活塞杆横截面积；R1和R2分别表示活塞杆外半径和外筒内半径；h=R2-R1，表示间隙宽度；u为流速；z表示轴向坐标。

流口两端压力差ΔPa可表示为

(3)

由式(2)与式(3)可推出无量纲塞流厚度满足[4]

(4)

其中Bi为广义宾汉数，表示为

(5)

其中τ0与磁感应强度B相关。由Ansys Maxwell软件的电磁场仿真后拟合可得到B与I的关系为

B=17.86I3-187I2+686.2I-25.94

(6)

激活区的库仑阻尼力Fa可表示为

Fa=(Ap-Ar)ΔPa

(7)

非激活区的黏滞阻尼力Fu可表示为

(8)

阻尼力由激活区与非激活区共同构成。式中L为流口间隙总长度。磁流变阻尼器尺寸参数如表1所示。

表1 磁流变阻尼器尺寸参数

2.2 温度对阻尼力影响分析

由式(7)-式(8)可以看到，磁流变阻尼器的阻尼力主要由黏度、屈服应力、剪切速率与磁感应强度决定。为了探究磁流变液的黏温特性，磁流变液的黏度与温度之间关系，可以通过Reynolds提出的黏温方程公式[5]进行拟合，关系表示为

K(T)=Ae-BT

(9)

式中：K为磁流变液黏度；T为温度；A、B为拟合常数，其中A、B>0。

温度对屈服应力的影响可用τy(B)的指数衰减函数捕获。根据Arrhenius方程及屈服应力与磁场之间的关系[6]，温度对屈服应力影响可以描述为

τ0(B,T)=C·Bm·e-DT

(10)

式中T为温度；C、m、D为拟合常数，其中C、m、D>0。

根据式(9)与式(10)，温度影响下Herschel-Bul-kley模型的本构方程可以表示为

(11)

温度影响下非激活区黏滞阻尼力表示为

(12)

温度影响下激活区库仑阻尼力表示为

(13)

3 温度特性测试实验与结果分析

3.1 实验准备

为对磁流变阻尼器温度特性进行测试实验，自行设计和搭建了一套测试系统，通过电动缸与定制的控制采集系统设备实现对阻尼器活塞杆传力与数据采集，再由LP3005D型直流稳压电源对线圈输入稳定电流。阻尼器载液选用某研究院生产的MRF-J25T型磁流变液，再结合温控装置对阻尼器进行温度控制，阻尼器在温控装置中达到目标温度后，在该温度下保持2 h以后再进行测试。通过该系统测试不同电流、不同温度下的阻尼力变化情况。磁流变阻尼器实验设备如图3所示。

图3 磁流变阻尼器实验设备

3.2 实验结果及分析

研究温度效应下磁流变阻尼器流变特性，需要对不同温度下的阻尼器进行温度特性测试。因此实验条件是以-30 ℃、-15 ℃、0 ℃、15 ℃、30 ℃5个等温度区间为测试工况来表征磁流变阻尼器的温度效应，在20 mm/s速度条件下通过直流电源分别施加0 A、0.5 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A、3.0 A的固定电流。实验结果如图4所示。

图4 -30 ℃下1.0 A电流采集结果

由图4可以看到，在推动过程中，开始与结束的阻尼力较稳定时偏大，这是因为活塞杆运动速度突然转向会产生一定的惯性阻尼力。因此取阻尼力稳定时的平均值作为测量数据，可以得到图5所示测量结果。

图5 阻尼力温度特性实验测量结果

从图5中可以看到，随着温度的不断升高，对应施加不同电流的阻尼力都有不同程度的降低。0 A电流时阻尼力变化并不大，这是由于阻尼器存在内摩擦力，而不加电流情况下内摩擦力相比黏滞阻尼力较大，因此阻尼力变化不明显。通过不加电流且极低速情况下测量得到阻尼力约为313 N，估计该值为内摩擦力，测量值减去该值即为实际值。

在电流为0 A的情况下，温度从-30 ℃～30 ℃的变化过程中平均阻尼力的衰减幅度大约在25%。而在电流为0.5 A时，阻尼力的衰减幅度就下降到了10.9%。当电流分别为1.0 A、1.5 A、2.0 A、3.0 A时，在温度变化过程中平均阻尼力的衰减幅度分别为10.10%、9.50%、9.16%、9.18%。因此可以看出，在施加电流后，磁流变阻尼器阻尼力的大小受温度变化影响减弱。主要原因在于当未给通电线圈施加电流时并没有磁流变效应，磁流变阻尼器的阻尼力主要来自于油液的黏滞阻尼力与内摩擦力，因此温度升高时黏度降低导致黏滞阻尼力减小。但是在施加电流之后，库仑阻尼力在总阻尼力中占比更大，而库仑阻尼力的大小主要取决于磁感应强度而受温度影响相对较小，因此温度升高对阻尼力的影响力相对下降。

3.3 模型参数辨识与分析

温度影响下描述力学特性Herschel-Bulkley数学模型具有待辨识参数A、B、n、C、m、D，将实验测得数据与数学模型通过基于粒子群算法的参数辨识方法，辨识后得到结果如表2所示。

表2 模型参数辨识结果

为了验证该模型的正确性，通过模型仿真与实际测量数据进行对比来验证模型的预测情况。图6为实验值与仿真值的对比。从图中可以看出，该模型可以很好地描述不同电流和不同温度下的磁流变阻尼器的力学性能。电流从0 A增至2.0 A时，阻尼力变化最大，此时磁感应强度增加较快，而当电流超过2.0 A时，屈服应力增速趋于平缓，此时磁流变液接近磁饱和状态。

图6 磁流变阻尼器模型仿真验证

通过辨识结果，可以得到温度变化下阻尼器内MRF-J25T磁流变液黏度曲线与屈服应力曲线，分别如图7与图8所示。

图7 磁流变液黏度辨识结果

图8 不同电流下屈服应力辨识结果

可以看到温度从-30 ℃～30 ℃之间，磁流变液黏度下降了25%，并且屈服应力也在不同电流时都有下降，下降比例约为8.5%，明显看出磁流变液黏度相比屈服应力有更大程度的降低。

4 结语

本文研究了不同温度下磁流变阻尼器力学性能的变化，在建立了温度影响下Herschel-Bulkley的修正模型后，通过该模型与实验结果分析了温度对黏度与屈服应力的影响。结果表明，温度对黏度和屈服应力影响十分明显。将实验结果对模型参数进行辨识，验证了模型在不同温度下描述阻尼力的准确性，为今后不同温度下磁流变阻尼器的应用提供了参考。