磁流变液阻尼器的磁路分析与优化

胡江林，吴超群

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

磁流变液阻尼器(magnetorheological damper)作为一种新型智能材料器件，具有出力大、阻尼力可调、响应速度快等优点，被广泛应用于车辆、桥梁、航天等领域的振动控制[1]。输出阻尼力作为磁流变液阻尼器最重要的性能评价指标受磁路结构和材料导磁能力的影响[2]；磁路结构直接影响阻尼通道内的磁场分布，进而影响阻尼器的阻尼力[3]。以剪切阀式磁流变液阻尼器为例，通过Ansoft Maxwell对磁路进行电磁场分析并研究磁路主要结构参数对磁感应强度的影响规律。

1 磁路结构及力学模型

1.1 磁路结构

磁流变液阻尼器的磁路结构主要由磁芯、励磁线圈、活塞杆和活塞外壳组成[4]。当励磁线圈通电时，线圈周围产生磁场，形成完整闭合的磁回路[5]。磁流变液阻尼器有效工作长度为线圈槽两端活塞翼缘的宽度之和[6]。阻尼通道宽度、翼缘宽度、磁芯半径和活塞外壳厚度为磁路的主要结构参数。本文研究的磁流变液阻尼器磁路结构参数如表1所示，线圈总匝数N=210。

表1 初始磁路结构参数表

1.2 力学模型

图1为磁流变液阻尼器属于剪切阀式阻尼器，兼具阀式阻尼器和剪切式阻尼器的优点[7]。

图1 磁流变液阻尼器磁路结构示意图

阀式阻尼器的阻尼力计算公式为：

(1)

式中:η为磁流变液的零场粘度;τ为磁流变液的剪切屈服应力；Ap为活塞有效面积；D为缸体内径；v为活塞杆运动速度；h为阻尼通道宽度；L为活塞翼缘宽度。

剪切式阻尼器的阻尼力计算公式为：

(2)

剪切阀式阻尼器的阻尼力计算公式为：

F=Fs+Fv

(3)

因阻尼通道宽度很小，剪切阻尼力比流动阻尼力小得多，为方便计算，通常忽略剪切分量。综合以上分析，简化后剪切阀式阻尼器的阻尼力计算公式为：

(4)

Ap=Ah-Ag=π(D2-d2)/4

(5)

式中：Ah为活塞面积；Ag为活塞杆面积；d为活塞杆直径。

本文应用的磁流变液产自Lord公司，其型号为MRF-122EG。根据样品手册，对产品参数进行数据拟合，得到磁流变液的剪切屈服应力与磁感应强度B的关系式如下：

τ=393.86B4-874.66B3-558.31B2-

58.313B+2.539

(6)

通过控制阻尼通道处的磁感应强度，进而改变磁流变液的粘度和剪切屈服应力，最终达到调控阻尼力大小的目的[8]。

2 磁路结构参数对磁感应强度的影响分析

2.1 磁路仿真前处理

磁流变液阻尼器为轴对称结构，为方便仿真计算，将磁路结构简化为二维平面轴对称模型[9]，采用二维静态磁场模块，选用Inside Selection自适应网格对磁路结构进行网格划分，Maxwell-2D磁场分析模型如图2所示。

图2 仿真分析模型

仿真模型各区域材料设置如表2所示，设置激励电流i=1 A。

表2 模块各区域材料表

2.2 阻尼通道宽度对磁感应强度的影响分析

磁流变液在阻尼通道内发生磁流变效应。保持其它磁路结构参数为表1中的数值不变，设置阻尼通道宽度取值范围为0.5～1.3 mm，取值间隔为0.1 mm。

如图3所示，随着阻尼通道宽度的增大，外围区域的截面增大，阻尼通道内的磁场趋于分散，因此磁感应强度逐渐减小。最大磁感应强度在磁芯区域，当阻尼通道宽度为0.5 mm时，其大小近似为1.6 T，接近材料的磁饱和强度；因此阻尼通道宽度过小有磁饱和风险。

图3 改变阻尼通道宽度的仿真结果

为观察阻尼通道内磁感应强度分布情况，设置阻尼通道中心线为查看路径，选取翼缘左半段区间内磁感应强度即可得到阻尼通道内平均磁感应强度的分布情况。不同阻尼通道宽度下磁感应强度分布情况如图4所示。

图4 不同阻尼通道宽度下磁感应强度分布情况

图4(a)为阻尼通道内磁感应强度随位置变化曲线，图4(b)为阻尼通道内平均磁感应强度曲线。阻尼通道宽度对磁感应强度影响较大。当阻尼通道宽度由0.5 mm增大到1.3 mm，阻尼通道内磁感应强度减小41.23%。由于磁流变液的沉降特性，阻尼通道宽度过小易造成阻尼通道堵塞[10]；因此阻尼通道宽度不宜过小，设计在0.5～0.7 mm较合适。

2.3 活塞翼缘宽度对磁感应强度的影响分析

磁流变液在翼缘部分经垂直磁场作用下发生磁流变效应。设置活塞翼缘宽度取值范围为3～11 mm，取值间隔为1 mm；保持其它结构参数不变。仿真结果如图5所示。

图5 改变翼缘宽度的仿真结果

从图5可知，随着翼缘宽度的增加，磁芯区域的磁感应强度显著增大，当翼缘宽度增至11 mm时，磁芯区域的磁感应强度达到1.5 T，磁芯区域有磁饱和风险。不同翼缘宽度下磁感应强度分布情况如图6所示。

图6 不同翼缘宽度下磁感应强度分布情况

从图6可知，随着翼缘宽度的增加，翼缘内的磁通由密至疏，导致阻尼通道的有效长度虽然增加但磁感应强度减小。结合磁感应强度分布与阻尼器整体结构尺寸，翼缘宽度设计在5～9 mm之间较合适。

2.4 磁芯半径对磁感应强度的影响分析

磁芯半径为线圈与活塞杆中间的部分，设置磁芯半径取值范围为2～6.5 mm，取值间隔为0.5 mm或1 mm；保持其它结构参数不变。仿真结果如图7所示。

图7 改变磁芯半径的仿真结果

从图7可知，当磁芯半径小于5 mm时，阻尼通道内的磁感应强度变化不明显。磁芯半径为2 mm时，磁芯的最大磁感应强度值为1.67 T，有磁饱和风险。不同磁芯半径下磁感应强度分布情况如图8所示。

图8 不同磁芯半径下磁感应强度分布情况

从图8可知，磁芯半径从2 mm增大至3 mm时，阻尼通道内磁感应强度明显增加。由于线圈匝数和电流保持不变，虽然磁路并未达到饱和，但受磁通量的限制，在磁芯半径增大到4 mm后，磁感应强度趋于稳定，增量仅在0.01 T以内。因此磁芯半径设计在4～6 mm较合适。

2.5 活塞外壳厚度对磁感应强度的影响分析

活塞外壳为磁回路的组成部分，设置活塞外壳厚度取值范围为2.5～4.25 mm，取值间隔为0.25 mm，保持其它结构参数不变。仿真结果如图9所示。

图9 改变活塞外壳厚度的仿真结果

从图9可知，随活塞外壳厚度的变化，各区域磁场分布变化情况和磁感应强度变化情况均不明显。不同活塞外壳厚度下磁感应分布情况如图10所示。

图10 不同活塞外壳厚度下磁感应强度分布情况

从图10可知，活塞外壳厚度对阻尼通道内磁感应强度影响很小。活塞外壳厚度从2.5 mm增加到4.25 mm，阻尼通道内磁感应强度仅增大5.26%，当活塞外壳厚度增大到4 mm后，阻尼通道内磁感应强度增幅不明显。活塞外壳厚度过大会增大阻尼器外轮廓尺寸，造成材料的浪费。因此活塞外壳厚度设计在3～4 mm较为合适。

2.6 多因素变量仿真分析研究

结构优化是几个参数同时调整，为得到4个磁路参数调整的最佳组合，笔者运用正交试验筛选出阻尼通道宽度h、翼缘宽度L、磁芯半径r和活塞外壳厚度t的优化组合。

本次正交试验为4因子3水平实验，综合上述研究，为提高阻尼器阻尼力并避免出现局部磁饱和，各因子水平取值如表3所示。以L9(34)正交表确定试验因子组合，如表4所示。

表3 各因子水平取值

表4 实验因子参数表

正交试验的仿真结果如图11所示。从图11可知，参数组合3和组合9的磁芯区域的磁感应强度较高，易达到磁饱和状态，电流可调节的范围更小。

图11 正交试验的仿真结果

不同参数组合下最大阻尼力对比如图12所示，在相同外部激励条件下，组合3的最大输出阻尼力达到2 300 N，但磁芯区域的磁感应强度较高，磁路接近磁饱和状态。组合2的最大输出阻尼力达到1 700 N且无磁饱和风险。相比较于表1的初始参数组合，组合2的输出阻尼力增大了70%，参数组合更加合理。

图12 不同参数组合下最大阻尼力对比图

3 试验研究

为检测经磁路结构优化后磁流变液阻尼器的性能，现对样件进行台架试验，测试平台如图13所示。

图13 试验测试平台

参考QC/T545 1999《汽车筒式减振器台架试验方法》，运用INSTRON-1341电液伺服材料试验机给阻尼器的活塞杆处施加正弦激励，其振幅为4 mm，频率为1.5 Hz。稳压直流电源给阻尼器施加激励电流，电流范围为0～1 A，增加间隔为0.2 A。试验数据经处理后得到阻尼特性曲线，如图14所示。

图14 改变电流的阻尼特性图

从图14(a)可知，示功曲线的包围面积随电流增大而增大，且输出阻尼力也随之增大；表明阻尼器在一个周期内耗散的能量增多，抑振能力在增强。示功曲线饱满，无明显缺陷和突变；表明阻尼器能量耗散性能优良。

从图14(b)可知，输出阻尼力随着活塞运动速度的增加而增大。当电流递增时，对应速度特性曲线族逐渐变密，最后曲线族接近重合，体现出阻尼器的磁饱和特性。

综合上述分析，磁流变液阻尼器的可控性好并具有良好的阻尼性能。

4 结论

笔者对磁流变液阻尼器进行了磁路分析，研究磁路主要结构参数的变化对阻尼通道内磁感应强度的影响规律，并对优化后的磁流变液阻尼器进行了阻尼特性试验，研究结果表明：

(1)阻尼通道内磁感应强度随阻尼通道宽度增大而减小；随翼缘宽度和磁芯半径的增大而增大；活塞外壳厚度对磁感应强度影响很小，设计活塞外壳厚度时优先考虑阻尼器整体结构。

(2)通过多因素变量磁场分析确定了磁路参数的最优组合即阻尼通道宽度、翼缘宽度、活塞外壳厚度磁芯半径分别取0.5 mm、7 mm、3.5 mm和5 mm，输出阻尼力较优化前提升了70%。

(3)阻尼器输出阻尼力随电流和激励速度的增大而增大，且可控性好；表明阻尼器设计合理，具有良好的阻尼性能。