线圈外置式磁流变阻尼器磁路设计分析
磁流变液阻尼器的磁路有限元分析与优化设计方法
外 简 直 径 工 作 间 隙 磁 芯 直 径
磁 芯 有 效 长度
行 程 线 圈 匝数 线 圈 总 电 阻 最 大 输 出 力 可 调 动 力 范 围
（ ２． 表 ）
路 系统 截 面对磁 路 系统 效 率的影 响 的研究 ．
由于磁 芯产 生 的磁 场 对 外 筒 的 作 用 ， 致 内 导
筒 与 外筒 会 相 互 吸 引 而使 测 量 值 产 生较 大 误 差．
１ ＭＲ 阻 尼器 的 有 限 元 分 析
１ １ ＭＲ 阻尼 器 的磁场 实 测 ． 针 对 自行 研 制 开 发 的三 段式 ２ ＭＲ 阻 尼器 Ｔ— 进 行磁 感 应 强度 现 场 实 测 （ １ ． 测 所 用 数 字 表 ）实 特斯拉 计 的可调 量程 为 ０ ２ ０ｍＴ～２Ｔ～ ｌ ￣ ０ Ｏ Ｔ，
阻尼 器 在 现场 实 测 时 不灌 入 一 种 为单 独磁 芯 磁路 ， 第 另
一
对 于 磁 路 设计 的 问题 ， 内外 许 多学 者 运用 国 有 限元 分 析 软 件 进 行 了阻尼 器 的 仿 真分 析 ， 是 但 大多 数 研 究 仅 限 于探 讨 ＭＲ 阻 尼 器 的 最 佳 工 作
磁流 变液 （ ＭＲ） 能 阻尼 器 是 一种 优 秀 的半 智 主动 控制 装 置 ， 有 控 制 力 大 ， 具 可调 范 围宽 ， 度 温 适应 性 强 ， 响应 速度 快且 能耗 低等 优 点． 装 置 的 该 最 大特 点 是 ， 用 了磁 流变 液 在 磁 场 作用 下 能 在 利
基于三维磁场有限元分析的磁流变阻尼器(MRD)磁路优化分析
场尚未饱和时 ， 忽略铁心周 围空气中的磁通 ， 认为整个磁
路中的磁通 西是相 同的， 由磁路欧姆定律 ：
， ， ＾ 、
变效应设计的新型结构振动控制装置 ， 因其具有耗能低 、 出力大、 响应速度快、 结构简单 、 阻尼力连续可调 、 方便与 计算机控制结合等优点， 在土木 、 机械、 航空等领域展现出
Ｋｅ ｒ ｓ： Ｄ ；ｍａ ｎ ｔ ； ｉ ｕ ｔｍａ ｎ ｔ ｎ ｉ ｃ ｃ ｇ ｅ ｉ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ；ｏ ｔ ｃｉ ｅ ｉ ｍ ｉｇ ｄ ｓｇ ｎ
０ 引言
磁流变阻尼器（ Ｒ ） Ｍ Ｄ 是基于智能材料磁流变液的流
响应 时间等 多项 重 要 的性 能 指 标 。 因此 ， Ｄ必 须 格 ＭＲ
１铁芯材料应选择高磁导率 、 ） 高饱和磁感应强度 、 低 磁滞性 的软磁材料 ， 这样一方面可在磁动势 Ｍ 一定 的前 提下 ， 减小磁阻有利于提高磁感应强度 ， 防止磁路过早磁 饱和 ， 同时可保证当外加励磁 电流撤去后 ， 磁路 中磁场应 很快降为零 。 ２ 应尽量保证阻尼间隙处磁场方 向垂直于磁流变液 ）
ｔａ ｘ ｅ ｔｄ ｉ ｏ ｎ ｎ ｈ ｅ ｓ ｎ ｏ ｈ ｃ ｓａ ａｙ ｅ ． ｈ ｇ ｅｉ ｉ ｕ ｔ ｆＭＲＤ ｓｏ ｔ ｚｎ ｅ ｉ ｅ ａ ｅ ｉ ｔｅ ｒ ｓ ｌ ｆ ｈ ｎ ｅ ｐ ｃｅ ｓｆｕ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ａ ｏ ｆｗ ｉｈ ｉ ｌｓ ｄ Ｔ ｅｍａ ｎ ｔ ｃｒ ｉ ｏ ｎ ｃ ｃ ｉ ｐｉ ｉ ｇ ｄ ｓｇ ｄ ｂ ｓ ｄ Ｏｌ ｈ ｅ ｕ ｔ ｏ ｍｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ ｌ ｓ ｎ ｇ ｅｉ ｎｔ ｌｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓｓ ｔ ｅ ｍａ ｅ ｉ ｅｄ ｏ ａ ｌ ａ ａ ｃ ｓ ｉ ｒｖ ｄ ０ ２ Ｔ ｅ ｒ ｔ ｎ ｌ ｙ ｏ ｇ ｅ ｉ ｈ ｏ ｙ ａ ａｙ ｉ ａ ｄ ｍａ ｎ ｔ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ａ ｙ ｉ ，ｈ ｇ ｔ ｆ ｌ ｆｄ ｍｐ ｃ ｅ ｒｎ ｅ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ． Ｔ． ｈ ａ ｉ ａ ｉ ｆｍａ ｎ ｔ ｓ ｃｉ ｅ ａ ｎ ｃｉ ｏ ｔ ｃ ｃ ｒ ｕｔｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｉ ｖ ｌ ａｅ ｙ ｅ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎ ａｉ ｎ ｉ ｉ ｐ ｉ ａｉ ｓ ａｉ ｔｄ ｂ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｘ ｅｉ ｃ ｍｉ ｏ ｄ ｏ ｍｅ ｔｔ ． ｏ
磁流变阻尼器阻尼力建模及实验分析
前言
性动态特性% 但是模型由强非线性方程构成% 参数过
磁流变液 是 多不便于数值处理 "(8XDWS<9[W<=<XBM8=V=IB] " (5k# #
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一种流变特性随外界磁场强度改变而变化的智能材料% 其流变特性为剪切应力随磁场强度的增加而增加& 通 过对外界磁场强弱的控制% 可在毫秒级的时间内改变 磁流变液体的流变力学特性)#E!*% 这一特性对于动力学 主动和半主动控制非常有用& 由磁流变液制成的阻尼 器"减震器# 结构简单' 响应速度快' 功耗低' 阻尼 力大且连续可调% 是一种典型的可控流体阻尼器% 适 用于结构振动控制' 飞机起落架及车辆悬架系统等& 通过对电流的控制可以很容易地实现对磁场以及流变 力学特性的控制% 使得磁流变液阻尼器成为最佳的半
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态特性( 有的虽然能较好地模拟磁流变阻尼器的非线
图#P多环槽式阻尼器结构
收稿日期 !"#'E"!E"! 基金项目 国家自然科学基金资助项目"$##G!"#%# 作者简介 薛建海"#?F!$#% 男% 硕士研究生% 讲师% 主要从事液压技术研究& .EH8B=! aIWAB8D[8BLM88M:DWS&
关于磁流变阻尼器神经网络模型的设计分析
ห้องสมุดไป่ตู้
上接 Ｐ ６ Ｉ
式的接入 电话 ，他真 ，Ｅ ｉ ， ｂ ， Ｉ ｍａｌ Ｗｅ ＶｏＰ 等等 。因此 ，再用电 话与客 户互动而是通过 多 媒体方式与客厂进 行交流 。 ］ 在未柬的我 同市场 上，互联网呼叫中心 ， 多媒体， ｎ ｑ心 ，以及虚拟呼 叫中心将随着企业 ｆ ｑ￣ － 对呼叫 ｜ Ｉ 心的要求越来越高而不断的发展并成为 市场 ＿流。 另外，未来呼叫中心将在语音，数据 ： 和视频等信息｝ 术上钉所突破，从而使呼叫中心 主 在功能 更加完善。总之 ， 来的呼 叫中心 肯定 未 更方便的实现 №与客户的互动。
一
。 摘 要 神经 网络在控制领域受到重视主
和神 经网络控制 力输 入Ｍ Ｒ 阻尼 器逆向神经 网 络模型 ，产生的输出就是在 当时的结构响应 条 件下 ，为了使Ｍ Ｒ阻尼 器产生与理想 控制 力一 致的阻尼 力所需 要的输 入电压 ，该电压输入给 ＭＲ 阻尼 器使之 产生近似干理想的控制 力作 用 在 不 确 定 因素 时 ， 更体 现 了神 经 网络 方 法 的优 到结构上 ，从而降低结构响应 ，实现结构控制
【 何玉彬 ，李新忠． ３ 】 神经网络控制技术魇其应
用［ ． Ｍ］ 北京： 科学出版社，２０ ００ 曩 『 周丽， ４ １ 张志成． 基于磁流变阻尼器 的结构振动 比化控制团． 动工程学报， ０ ， （ ： ９ １３ 振 ２ ３ ６１１ ￣ １ ０ ｌ ）０
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关于磁流变阻尼器 神经网络模型的设计分析
刘 焊 中 中国建设银 行黑龙江分行香坊支 行 同济大学软件 工程硕 士在读 研究生
白噪声的加速 度功率 密度模 型生成 的人工模 拟地震波ｂ 作用 时由神经网ＮＮＩ输 出的结 构 ２ 层的仿移 、速 度预测响应及 由神经 网络控 制 器所输 出的｝ 经 网络控 制力输入Ｍ Ｒ 申 阻尼 器逆 向神经 网络 模型 中，设ＭＲ阻 尼器的初始 电压 输 入 为 １ ５ Ｖ。 ． 住本文算例 中神经 网络Ｍ Ｒ阻尼器控制对 顶层位移峰 值减震率达 到７ ．％。该控制策略 ８６ 对控制地震激励下 的加 速度响应取得 了比较好 的效果。 本文提 … ・ 种基于人工神 经网络的ＭＲ阻 尼器系统辨识和 半主动控制方法 ，利 用基于 神 经网络理论 的系统辨识 方法对ＭＲ阻尼器进 行 了逆动态特性辨识 、建立辨识器模型对结构进 行地震响 预测 ，并利 用神经 网络控制 方法建 立起Ｍ Ｒ阻尼器 半主动控制律 ，实现结构振动 响应的实时控制 。由仿真结果可以看 出该控制 方法可以有效的控 制结 构的顶层加速度响应 ， 克服 了｝ 皮动控制策 略对 加速度的控制欠佳的缺 点。仿真 分析验证 了本 文所提 出的Ｍ Ｒ阻尼 器 逆特性 智能辨ｉ｛ 型、神经网络半主动控制 策 ｝ 模 略、结构响应预沏怕Ｊ ， 仃效性。
磁流变弹性体阻尼器的设计及其磁路分析
摘
要： 高温合金 叶轮是航 空发动机的核 心零件 ， 但高温合金叶轮 在加工过程 中容易产生振动。 因此针对加工 高温合金
叶轮过程 中容易产生振动的情况 ， 基于挤 压工作模式 ， 设计 了一款磁 流变弹性体振动抑制 阻尼 器。并对所设计的磁 流变 弹性体振动抑制 阻尼器的整个磁路进行 了计算和分析。分析结果表 明， 所设计的磁流 变弹性体振动抑制 阻尼器的间隙部 分磁 阻最 大， 而整 个磁流 变弹性体振动抑制 阻尼器的磁路设计合理 ， 磁场强度 符合设计要 求， 且 阻尼 器具有较 大的可调
１ 引言
航空发 动机质量的优劣直接决定 着整个飞机性能 的高低 ，
角度ห้องสมุดไป่ตู้虑 ， 抑制振动的方法可分为被动控制 ， 半主动控制 ， 主动控
制 。其 中 ， 半 主动 控 制方 式 对 振 动 的抑 制效 果 与 主 动控 制 方 式 接
成本又低于主动控制方式 ， 故可以通过半 主动控制方式来抑 因此被誉为 飞机的心脏 。同时 ， 一个围家航空发动机的制造水平 近 ， 提高高温合金整体叶轮的加Ｔ效率和 被认为是这个 国家科技水平 ， 军事实力 ， 甚至是综合 国力 的象征。 制切削过程 中产生的振动 ， 利用磁流变弹性体设计一款用于 对于航 空发动机而言 ， 其最关键的基础件是发动机上的叶轮 。据 表面质量 。正是基于上述思想 ， 以此来抑制加工过程 中产生 的振动。 专家推测， 在未来高性能航空发动机（ 如歼 击机发动机 ） 的发展过 半 主动控制 的阻尼器 ， 程 中， 高温合金整体叶轮将是其实现结构创新和技 术跨越 的核心 零件… 。目前 ， 在加工高温合金整体 叶轮 中最大的问题在于高温合
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｈｉ ｇ ｈ Ｔｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ａｌ ｌ ｏ ｙ Ｉ ｍｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ ；Ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｒ ｈ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｌ ａ ｓ ｔ ｏ ｍｅ ｒ ； Ｄａ ｍｐ ｅ ｒ ； Ｒｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真摘要：磁流变现象应用广泛，其中利用其原理制作而成的磁流变MR阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，其结构简单、响应快、动态范围大、耐久性好，具有很强的可靠性。
要使磁流变MR阻尼器的性能最佳，需要考虑诸多方面的因素，这其中阻尼器的磁路设计尤为关键。
1.MR阻尼器的磁路设计磁流变（MR）阻尼器种类多样，根据MRF在MR阻尼器内受力方式的不同，通常将MR阻尼器按结构型式划分为剪切式MR阻尼器、阀式MR阻尼器、剪切阀式MR阻尼器和挤压式MR阻尼器，剪切阀式综合了阀式和剪切式的双重特点，其综合性能好，易加工制造，且其磁路设计也比较简单。
鉴于此，在本次研究中，我们选用剪切阀式作为本文研究的微型MR阻尼器的结构型式，受力形式和活塞运动方式上，选择双出杆直动型。
当MR阻尼器的励磁线圈有电流通过时，产生的磁场会使缸筒内部的磁流变液状态瞬间发生改变，从而在活塞运动过程中产生阻尼力。
考虑到本次所设计的MR阻尼器尺寸很小，线圈内绕极其困难，不便操作。
因此本文研究的MR阻尼器采用线圈外绕的方法，现详细说明其磁路的设计。
首先绘出磁路计算简图如图1-1所示：图1-1线圈外绕磁路计算简图根据磁路欧姆定律可得：（1-1）式中，N是缠绕在缸筒表面的铜线匝数；I是通过前面铜线的电流；为整个回路的磁通；和h分别为MR阻尼器磁路的平均长度和阻尼间隙；和分别为磁芯和空气的磁导率。
MR阻尼器中心轴段部分的磁阻为：（1-2）侧翼磁阻为：（1-3）MR阻尼器间隙内的磁阻为：（1-4）MR阻尼器缸筒内的磁阻为：（1-5）在式（2-8）到（2-9）中，为磁流变液的相对磁导率，为缸筒材料（即铝合金）的相对磁导率，为活塞杆材料（即硅钢）的相对磁导率。
该阻尼器磁路的总磁阻可表示为：（1-6）根据磁路欧姆定律[3]，该MR阻尼器所需要的磁动势为：（1-7）上式中，为MR阻尼器的活塞与缸筒内部的磁感应强度，为该处磁通面积。
磁流变材料阻尼器的结构设计与性能研究
磁流变材料阻尼器的结构设计与性能研究磁流变材料阻尼器是一种先进的阻尼器，在波浪荡漾、地震或机械振动等方面有广泛的应用。
它能够通过施加磁场来改变其内部阻尼阻力，以达到减振和减震的效果。
在本文中，我们将探讨磁流变材料阻尼器的设计和性能研究。
一、磁流变材料阻尼器的工作原理磁流变材料阻尼器的工作原理基于其材料本身的特性。
其外观类似于一个圆柱形的管子，内部则填充有磁流变材料。
当施加磁场时，磁流变材料会发生磁致变形，从而改变管子内部的液体位置和流动。
在运动过程中，液体会产生阻力，从而达到减震和减振的作用。
二、磁流变材料阻尼器的性能研究磁流变材料阻尼器的性能研究涉及到其结构设计和使用效果。
以下是该阻尼器的性能分析：1、阻尼器的结构设计阻尼器的结构设计对其性能具有重要影响。
通常，设计者会考虑以下主要因素：外部形状、内部填充材料和磁场生成器。
以外部形状为例，可以设计成不同形状，如梯形、V形或菱形。
这些形状对于磁流变材料的分布和内部阻尼效果具有明显的影响。
此外，内部填充材料的选择也至关重要，不同的材料具有不同的粘度和导电性能，因此对阻尼器的实际性能会产生重要的影响。
2、使用效果的测试除了设计结构以外，测试阻尼器的使用效果同样至关重要。
例如，可以通过实验来测量阻尼器在减震和减振方面的效果以及其对于振动频率和波形的响应。
此外，还可以对阻尼器的耐久性进行测试，以确保其能够在长时间内稳定工作。
三、磁流变材料阻尼器的应用磁流变材料阻尼器广泛应用于工业和车辆领域，如摩托车减震器、建筑物和桥梁结构减震器、汽车悬挂器等等。
在汽车领域，磁流变材料阻尼器已经被广泛应用于各大汽车制造商的高端品牌车型。
例如，美国福特公司的F-150皮卡车已经采用了该技术。
磁流变材料阻尼器可以大幅度提高车辆的行驶舒适性和安全性，从而更好地吸引消费者。
四、结论磁流变材料阻尼器是一项重要的技术，其在各大领域的应用也正在不断增加。
设计良好的阻尼器不仅可以提高机器和设备的性能，还可以减少因振动产生的损坏和磨损。
圆盘式磁流变液阻尼器的设计及磁路研究
圆盘式磁流变液阻尼器的设计及磁路研究1崔治1,2，郑堤2，王龙山1，詹建明2，胡利永1,21)吉林大学机械科学与工程学院，长春（130025）2)宁波大学工学院，浙江宁波（315211）E-mail：cuizhi@摘要：磁流变液阻尼器是新型的智能化吸能装置，本文采用宾汉模型研究了盘式磁流变液阻尼器的力矩计算模型，并引入磁致力矩与粘性力矩比例。
对此类阻尼器的关键技术－－磁路设计进行分析，用ANSYS软件分析工作面的复合式磁场分布情况。
实验结果表明，复合式磁路设计工作稳定，阻尼力矩可调范围宽，可进一步推广到类似磁流变液器件的设计。
关键词：磁流变液，阻尼器，力矩，复合式磁路1．引言磁流变液（Magnetorheological Fluids）是近十年来迅速发展的一种智能材料，通常是一种将微米尺寸的可磁化颗粒分散于母液中构成的悬浮液。
无磁场时为牛顿流体，而在强磁场作用下悬浮颗粒因磁感应由磁中性变为强磁性,因此彼此之间相互作用,而在磁极之间形成“链”状的桥,进而转化成宏观的柱状结构,使其在瞬间由液体变为粘塑体,其流变性质发生急剧变化，表现出类似固体的力学性质。
磁流变液会发生剪切流动，主要工作在后屈服阶段,其关键参数为动态屈服应力，是外部磁场强度的函数。
其固—液转换在毫秒量级内完成，而且去除磁场后这种材料又迅速恢复其流动性[1]，与电流变液相比，磁流变液由于具有较高的屈服应力（～100kPa，美国Lord公司已生产出了屈服应力可达80kPa的磁流变液），而且所用的驱动电源为低压电流源，其温度稳定性和抗杂质污染能力均较强，因而其应用前景极为广泛。
2．磁流变液数学模型2.1 微观模型对于磁流变液的微观结构已经有学者进行了较深入分析[2]，同时可借鉴电流变液研究模型[3]，在这里我们假设在上下滑板间充满磁流变液，在外加磁场的作用下，磁流变液中的磁性微粒形成链状结构，链的末端吸附于上下滑板上，如图１。
2.2 本构方程由于磁流变效应的复杂性，目前还没有一致公认的磁流变液阻尼器力学计算模型。
基于ansys的磁流变阻尼器磁路结构参数研究
磁流变阻尼器是一种基于磁流变效应的智能阻尼器，广泛应用于结构振动控制和车辆悬挂系统中。
ANSYS作为一种强大的有限元分析软件，被广泛应用于磁流变阻尼器的设计和优化中。
基于ANSYS的磁路结构参数研究，可以有效地分析磁流变阻尼器的性能，并为其优化提供依据。
首先，磁路结构参数的研究应该从磁流变阻尼器的基本结构开始。
磁流变阻尼器由电磁线圈、磁芯和阻尼液组成。
其中，磁芯的结构和材料对阻尼器的性能有着至关重要的影响。
因此，在研究中需要对磁芯的结构和材料进行优化设计。
其次，通过ANSYS软件进行模拟分析，可以得到磁流变阻尼器在不同电流和频率下的阻尼特性曲线。
针对这些曲线，可以进一步分析阻尼器的动态响应和稳定性，并对其进行优化。
具体而言，可以通过调整电磁线圈的匝数、线径和电流大小等参数，以及优化磁芯的结构和材料，来改善阻尼器的性能。
最后，研究中还需要考虑磁流变阻尼器的温度效应。
由于磁流变阻尼器在工作过程中会产生热量，因此需要对其进行热分析，并研究温度对阻尼器性能的影响。
在ANSYS中，可以通过热-结构耦合分析来实现对阻尼器的热分析，从而为阻尼器的优化提供更加全面的依据。
综上所述，基于ANSYS的磁路结构参数研究可以有效地提高磁流变阻尼器的性能，并为其在各个领域的应用提供技术支持。
基于三维磁场有限元分析的磁流变阻尼器(MRD)磁路优化分析
基于三维磁场有限元分析的磁流变阻尼器（MRD）磁路优化分析磁流变阻尼器（MRD）是一种利用磁场调节流体阻尼特性来实现振动控制的装置，广泛应用于航空、汽车及建筑等领域。
为了提高 MRD 的性能并减少能耗，设计优化的磁路结构是至关重要的。
本文基于三维磁场有限元分析，对 MRD 的磁路进行了优化分析。
首先，针对 MRD 的结构特点，建立了三维的有限元模型。
模型中包括了活塞、密封垫、工作油液及磁芯等部分，通过磁场有限元分析软件进行仿真计算，得到了 MRD 的磁场分布及流体阻尼特性等参数。
在此基础上，对 MRD 的磁路进行了优化设计。
其次，对 MRD 的磁路结构进行了调整。
通过增大磁芯直径及优化磁芯长度，增加磁芯内部的磁场强度，提高了 MRD 的磁力密度，从而提高了 MRD 在工作时的性能表现。
最后，对优化后的 MRD 进行了仿真测试。
结果表明，优化后的 MRD 在磁场强度及流体阻尼特性上均有了明显的提升，性能表现更加优越，并且在能耗上有所降低。
综合以上分析，本文基于三维磁场有限元分析对 MRD 的磁路进行了优化设计。
通过调整磁路结构，增加磁力密度和优化流体阻尼特性，提高了 MRD 的性能表现和节能效果，具有很高的实用价值和推广意义。
针对磁流变阻尼器（MRD）的磁路优化分析，涉及到多种参数数据的测量和计算。
以下是一些相关数据及其分析：1. 磁芯材料参数：磁导率、饱和磁感应强度、矫顽力等。
这些参数会直接影响磁芯的磁场强度和磁力密度。
2. 磁芯几何形状参数：磁芯直径、长度、截面面积、线圈匝数等。
磁芯的几何形状会直接影响磁场分布和磁力密度等参数。
3. 活塞和密封垫几何形状参数：活塞半径、密封垫长度、弹性模量等。
活塞和密封垫的参数会影响液体流动和磁场力的作用。
4. 工作油液参数：密度、粘度、润滑性等。
油液的参数会影响液体阻尼特性和流动性能等。
5. MRD的性能参数：阻尼系数、磁场强度、运动响应时间、耗能等指标。
这些参数反映了MRD的综合性能表现和节能效果等。
磁流变阻尼器的多目标优化设计与分析
(4)
60000
50000
剪切屈服强度/Pa 剪切屈服强度 (Pa)
40000 30000 20000
实测数据 拟合曲线
10000
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
磁磁密密/T(T)
图 4 磁流变液剪切屈服应力与其磁密的关系
Fig.4 The relation between shear yield stress and magnetic flux density of magnetorheological fluids
工程力学
31
阻尼力和粘滞阻尼力的大小，又从磁学的角度影响 着间隙内磁场强度的大小，而后者将进一步影响库 仑阻尼力的大小。目前，关于磁流变阻尼器的优化 研究主要集中在对阻尼力的单目标优化上，且设计 变量较少；在计算过程中一般仅从磁学方面考虑结 构参数对阻尼力的影响[4―9]。
本文将以阻尼力和可调倍数为优化目标，以磁 流变阻尼器关键结构参数为变量，利用多目标遗传 算法(Multiple Objective Genetic Algorithm) MOGA， 在优化软件 modeFRONTIER 中对磁流变阻尼器进 行优化设计和分析。在计算过程中，将同时从流体 力学和磁学两方面考虑结构参数对阻尼力的影响。
磁流变液剪切屈服强度 τ0 取决于间隙磁流变液 的磁密 B，本文选用本课题组制备的磁流变液进行 计算。通过拟合图 4 所示的实测数据可得剪切屈服 强度的计算公式如下：
τ0 (B)=− 3632× B+ 206593.4× B2 −178444.2× B3 +
5023.3× B4 + 23023.4 × B5
磁流变弹性体阻尼器的设计及磁路分析
磁 流 变 弹性 体 阻 尼 器 的设 计及 磁 路 分 析
赵 灿， 刘 倩， 汤 春瑞
（ 黑龙 江科技 大学 电气与信 息 工程 学院 ， 黑龙 江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ２ ２ ）
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ Ｍａ ｇｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｃｉ ｒ ｃ ｕｉ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｍａ ｇ ｎｅ ｔ ｏ ｒ ｈ ｅ ０ １ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｌ ａ ｓ ｔ ｏ ｍｅ ｒ Ｄａ ｍｐ ｅ ｒ
Ｚ ＨＡＯ Ｃａ ｎ， Ｌ Ｉ Ｕ Ｑｉ ａ ｎ， ＴＡＮＧ Ｃ ｈ ｕ ｎ—ｒ ｕ ｉ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｔ ｈｉ ｓ ｐ ａ ｐｅ ｒ， ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｕｓ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
以往关 于磁 流变 弹性 体 阻尼 器研 究 中 ， 较 少涉 及 到 阻尼器 的磁 路 计 算 和设 计 问题 。 因此 ， 将 从 磁 路 结构 和设计 原理 等方 面对 磁流变 弹性 体 阻尼器进
１ ． ２ 磁 流 变 弹 性 体 的 工 作 模 式
ｃ ｏ ｕｌ ｄ ｂｅ ｕｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｓ ａ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎｉ ｎｇ ａ ｎｄ
行 研究 ， 设计 一款 基 于剪 切 工 作 模 式 的磁 流 变 弹 性 体阻尼 器 ， 以此来 抑制 加工 过程 中产生 的振 动 。
ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｌ ｉ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｂ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｉ ｎ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｈ ｉ ｇ ｈ
磁流变阻尼器的设计和磁路研究
磁流变阻尼器的设计和磁路研究杨涛;赵杰;高永生;王胜新【摘要】Aiming for practical application in pathological tremor suppression of upper limbs, a compact rotary magnetorheological fluid damper was proposed. On the basis of its structure , the factors influencing the static and dynamic characteristics of the magnetic circuit and its design were studied analytically from electromagnetic perspectives; simulation and optimization based on finite element method were conducted computationally to verify the characteristics of the magnetic circuit and the design of the damper; the current vs. Output torque relation and the dynamic response were estimated. Finally, the design methodology of the magnetic circuit of magnetorheological fluid damper for compact size and light weight was proposed.%针对人体上肢病理性震颤抑震的具体应用,结合所设计的小型旋转式磁流变阻尼器的结构特点,运用电磁学理论对磁流变阻尼器的磁路进行了设计及静态和动态特性影响因素分析,利用有限元法对磁路性质和阻尼器结构进行了仿真分析与优化,对阻尼器的电流与输出阻尼力矩关系及动态响应等性能进行了预估.提出了以质量轻和体积小为设计目的的磁流变阻尼器的磁路设计方法.【期刊名称】《哈尔滨商业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(028)005【总页数】6页(P559-564)【关键词】磁流变阻尼器;有限元法;静态和动态电磁场分析;病理性震颤【作者】杨涛;赵杰;高永生;王胜新【作者单位】哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TH702磁流变阻尼器作为一种性能优良的半主动抑震器件，被广泛地应用于桥梁、汽车、触觉再现装置、自动化等场合的振动抑制[1－3].由于缺乏对人体病理性震颤有效的药物治疗方法，并且限于主动抑震装置在安全性和可靠性上存在的缺点，基于半主动抑震的磁流变阻尼器可以作为人体病理性震颤抑震的有效方法[4].磁流变阻尼器的输出阻尼力矩是靠磁流变液调节的.磁流变液作为一种智能材料，在外加磁场的作用下，表观黏度可快速连续变化，能在毫秒量级的时间内由自由流动的牛顿流体变为具有半固体甚至固体性质的宾汉体，并且这种变化是可逆的[5].磁场增强时剪切屈服应力极具增加，达到阻碍相对运动的目的.目前，已有的研究成果侧重于输出大阻尼力的直线式运动的大型磁流变阻尼器，而针对输出旋转式运动的小型磁流变阻尼器，尤其是以质量轻和体积小为设计目标的研究成果还比较少.后者在便携性及舒适性上更加适合于人体病理性震颤的抑震要求.针对上述问题，本文在已开发出的新型旋转式磁流变阻尼器的基础上，对以质量轻和体积小为设计优化目标的磁流变阻尼器的电磁设计方法进行了研究，从理论上和磁路有限元仿真分析上对阻尼器进行了设计分析、优化和性能预估.对面向小型轻质的磁流变阻尼器的设计关键点进行了探讨.1 磁流变阻尼器的设计1.1 结构设计磁流变阻尼器的结构合理与否直接影响其性能的优劣，结合人体上肢病理性震颤的特点，所设计的阻尼器要具有质量轻和体积小的特点，同时结构形式以扁圆形为宜.设计方案如图1所示.图1 阻尼器1/4结构示意图设计的阻尼器由5部分组成:1)安装到人体抑震机器人上的定子;2)与内轴同轴转动的非对称结构的转子;3)转子外侧和轴部的磁流变液密封装置;4)处于定子和转子间隙内的磁流变液工作层;5)由定子内的空腔形成的电磁线圈安放空间.组成定子和转子的金属环分别由螺钉连接，转子由螺钉固定于旋转轴，深沟球轴承支撑轴和转子的转动.定子和电磁线圈固定于外壁的一侧，同时处于非对称结构的转子的内部，在不增加径向尺寸的条件下，最大限度地增大了定子和转子间隙内的磁流变液工作区的半径.由于阻尼器输出的阻尼力矩正比于该半径的平方，因此该设计在小体积的条件下提高了输出阻尼力矩值.定子和转子均由若干由硬铝合金和电磁纯铁加工成的金属环装配而成，由于铝合金材料的磁导率接近真空的磁导率，起到了减小漏磁的作用并且形成了曲折的磁路，使磁通量最大限度地通过电磁纯铁磁路并且按照预定的方向通过磁流变液工作层，提高了体积的利用率.1.2 阻尼力矩预估根据以往的研究成果，可采用参数化的Bingham模型描述磁流变液的本构关系[6].其中:τ是总剪切应力，τB是磁流变液的动态剪切屈服应力，由外加磁场决定，μ是磁流变液的黏度系数，˙γ是剪切应变率，u是转子的转速.y是磁流变液间隙的大小.由于人体病理性震颤的频率相对较低，因此磁流变液黏度改变引起的力矩增加可以忽略;同时在初始设计时为简便起见可忽略由于密封等原因造成的摩擦力矩，这样得到该结构的阻尼器的计算模型.其中:h是磁流变液工作区有效长度，r是工作区半径.根据初始设定的最大输出阻尼力矩值、使用要求以及从磁流变液的材料手册得到的屈服力矩关系曲线，可确定工作区的h和r，为磁路分析奠定基础.2 磁路理论分析磁路设计是阻尼器设计最关键部分，由电磁场理论对磁路进行理论分析和计算，可以得到阻尼器的电气和结构参数初始值，为仿真优化以及响应特性预估提供参考.阻尼器磁路的结构如图2所示.图2 阻尼器磁路参数2.1 设计参数确定磁路分析的首要目的是提高阻尼器的静态性能，最大限度的提高垂直作用于磁流变液层的磁感强度.根据磁流变液的材料手册，磁感强度在大约0.75 T之后表现出明显的非线性磁化特性，因此选用0.75 T作为理论的最高工作点，此时的磁流变液工作层的磁场强度约为110 kA/m.由于电磁纯铁的磁导率远大于磁流变液的磁导率，因此电磁纯铁中的磁场强度远小于磁流变液中的磁场强度，根据磁路安培定律可知:其中:Em是磁动势，N是电磁线圈的匝数，I是驱动电流值，r4－r是磁流变液间隙大小.由磁流变液工作层的磁场强度值H液即可获得磁动势NI的值并可以确定线圈空间的尺寸.为了提高静态响应性能，应尽可能的减小磁流变液间隙的大小即磁流变液磁路的长度，同时缩小电磁纯铁中磁路的长度对于减小磁动势也具有一定的作用.接下来，根据磁路中磁通的平衡方程求解磁路的其他设计参数.由于电磁纯铁的磁感强度B铁在磁场强度H铁很小的情况下就会饱和，因此电磁纯铁中的磁感强度可认为在1.8 T左右保持不变.当磁流变液工作层的磁感强度B 液达到最高线性工作点时，可根据式(4)计算出磁路中每一处的横截面积.其他设计参数(见图2)均可由磁路横截面积值和初始设计参数r和h确定.2.2 动态特性分析磁路设计的第二个目标是提高磁流变阻尼器对电流的动态响应特性.根据以往的实验分析，磁流变阻尼器表现出明显的一阶系统的响应特性[7].虽然磁流变阻尼器的动态响应由机械和电磁等众多因素影响[8]，但是磁路的特性是其中最重要的因素.借鉴一阶RL电路暂态响应的分析方法，提出了一阶磁路的分析方法.把磁路等价为一个感性元件，经过理论计算可得出磁路的时间常数具有类似于一阶电路的表达形式，如式(5).其中:Rm是磁路的磁阻，包括磁流变液工作层和电磁纯铁的磁阻，S是磁路的横截面积，l是磁路的长度.由于电磁纯铁的磁导率远大于磁流变液的磁导率，在两种材料各自形成的磁路形状大小相差不大的条件下，磁路的时间常数主要由电磁纯铁的磁阻决定.基于以上的分析，我们可以得出以下的结论:尽可能的增加电磁纯铁磁路的磁阻可以有效地改善阻尼器的动态响应特性.在最大磁动势的限制下，可通过适当增加电磁纯铁磁路的长度，最大限度减小电磁纯铁磁路的横截面积的办法达到上述目的.曲折回路可以尽可能的增加电磁纯铁磁路的长度从而改善动态响应特性.但是缩小电磁纯铁磁路的长度对于减小磁动势有一定的作用，因此设计时要综合考虑静态和动态特性的平衡.3 仿真与优化在理论计算得到的磁路初始结构参数的基础上，进行基于有限元分析的磁路静态和动态仿真，获得阻尼器的输入输出特性曲线并验证理论计算的正确性，在此基础上，进行结构优化获得最终的磁路设计结果.3.1 磁路的有限元仿真在建立了阻尼器的有限元模型、对边界条件进行了设置、对网格进行了划分后，运用数值方法获得磁流变液和电磁纯铁材料的磁化特性关系的数据(如图3所示)，作为有限元分析软件的输入对材料的电磁和其他机械特性参数进行初始化设置.图3 磁流变液磁化曲线(A)和电磁纯铁磁化曲线(B)首先进行电流激励下磁场的静态分析.磁路仿真的目标在于:1)在有限的轴向空间内提高磁流变液的利用率.2)在最大驱动电流的作用下保证工作区的磁流变液能同时达到理想的屈服剪切强度，表现出最大的阻尼效果.3)尽可能的减少电磁纯铁的使用.这是因为电磁纯铁的密度约为铝合金的3倍，会加大阻尼器的质量.除了最必要的磁路中不得不使用导磁材料外，在最大程度上使用铝质材料组成隔磁部分.基于以上考虑，设计出的曲折磁路的仿真模型如图4所示.磁感线沿着箭头的方向首先从定子的内侧开始沿着径向穿过磁流变液层到达转子的第1个铁环，然后磁感线被放置于转子中部的铝环改变方向，折回通过磁流变液层到达位于定子外侧中间部位的铁环.磁感线再次被放置于定子内的铝环改变方向通过磁流变液层到达转子第2个铁环.此过程进行下去直至磁感线形成闭合的回路.磁感线依次通过各个铁环，铝环不仅起到了防止磁场泄漏的作用，而且还强制改变了磁感线的方向，使得磁感线尽可能的垂直作用于处于定子与转子相对的表面之间的磁流变液层.图4 磁路磁感强度分布(A)和磁流变液层磁感强度方向(B)在验证了基于电磁理论设计的结构合理性的基础上，对阻尼器的性能指标进行预估.阻尼器输入电流与输出阻尼力矩关系的计算模型可由仿真软件后处理加数值计算的方法获得，其形式如式(6)所示.屈服力矩特性曲线如图5所示.图5 阻尼器电流－屈服力矩特性曲线由特性曲线可知，磁流变阻尼器零场时的屈服力矩值很小，随着励磁电流强度的增加，阻尼器屈服力矩值逐渐增大，且增长的幅度逐渐减小，呈非线性关系.3.2 磁路的优化设计在对阻尼器进行仿真和有限元分析的过程中，发现依据电磁理论和磁流变液性质设计的阻尼器磁路不能很好地满足使用要求，如图6(A)所示.主要体现在:1)在加载最大电流时，阻尼器磁路中某些电磁纯铁部分(尤其是阻尼器内层部分)过早地饱和，整个磁路的总磁通不能继续随着电流的增加而增加，致使磁流变液工作层达不到预定的0.75 T左右的磁感强度.2)在设计的磁路中，漏磁现象是另一个导致磁流变液不能达到理想工作状态的原因.为了解决上述问题，对初步设计的磁路进行了优化.选择了对磁路性质影响最大的几个主要参数进行离散化的优化分析，参数如表1所示.优化目的在于在不增加不必要的体积和质量的前提下提高输出的阻尼力矩，优化结果如图6(B)所示.主要措施:1)在必要的位置加装铝合金材料的隔磁套，防止磁场的漏磁发生.2)增大过早磁饱和部位的磁路横截面积，这样增加了这些部分的容磁能力.3)改变部分磁路的尺寸参数，尤其是定子和转子中铝合金环的轴向相对位置，使磁感强度更加均匀的分布于磁流变液工作层的磁路中.图6 磁路饱和现象(A)和优化的磁路结构(B)表1 优化参数表漆包线/mm(r4－r)/mm r1/mm r2/mm r5/mm 11.5 18.0 35.5 0.59 0.60 0.62 0.65 0.50 0.75 1.00 12.0 18.5 36.0 12.5 19.0 36.5 13.0 19.5 37.0 13.5 20.0 37.5确定了最终的设计方案后，在后处理中得到静态加载下磁流变液磁路性质仿真曲线如图7所示.图7 静态电流下磁流变液工作层磁感强度响应曲线以上是基于静态电磁场有限元分析的结果，为了评价磁路对低频的输入电流信号的动态响应特性，需要对磁路进行动态加载下的有限元分析.阻尼器的动态性能包括在不同的输入电流的作用下(如阶跃电流，正弦电流等)，阻尼器磁路的磁场强度(或者磁感强度)以及阻尼器的输出阻尼力矩的变化情况.利用ANSOFT电路设计模块对磁路的有限元模型进行动态激励加载，得出了动态电流与磁流变液工作层磁感强度变化关系如图8所示.由仿真结果可知，磁路能在较短的时间内对低频的输入信号建立起磁场响应，具有较好的跟随能力.4 结语本文提出了一种以质量轻和体积小为优化设计目的的旋转式磁流变阻尼器的设计和磁路分析方法.利用导磁率低的材料可以减少漏磁，更重要的是引导改变磁感线的方向.曲折回路的设计可以有效地压缩阻尼器的体积，同时使磁感线垂直均匀通过磁流变液工作层，提高输出阻尼力矩值.并且磁导率低的材料如铝合金，可以显著减轻质量，对于以质量轻为设计目的的阻尼器研究具有重要价值.图8 阶跃电流(A)下磁流变液工作层磁感强度响应曲线(B)正弦电流(C)下磁流变液工作层磁感强度响应曲线(D)基于电磁理论对磁路进行分析，得到了磁路响应特性的影响因素.减小磁流变液磁路的长度对于改善静态性能具有重要作用，同时缩小电磁纯铁中磁路的长度对于减小磁动势也具有一定的作用.另一方面，增加电磁纯铁磁路的长度，减小电磁纯铁磁路的横截面积可以改善阻尼器的动态性能.因此设计时要综合考虑性能要求确定不同材料磁路的长度.运用有限元分析软件对磁路进行了静态和动态响应分析，动态分析对于阻尼器的控制策略研究和实际应用具有重要指导意义.参考文献:[1]JINUNG A，DONG S K.Five－bar linkage haptic device with DCmotors and MR brakes[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2009，20(1):97－107.[2]KAVLICOGLU B，GORDANINEJAD F，EVRENSEL C，et al.A high－torque magneto－rheological fluid clutch[J].Smart Structures and Materials 2002:Damping and Isolation，Proceedings of SPIE.2002(4697):393－400. 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变阻尼电磁阻尼器的结构设计计算及应用分析_徐传波
4 变阻尼电磁阻尼器的参数设计与应 用可行性分析
取励磁线圈的半径 r 为 0.03mm， 铜导线直径取 0.5mm， 匝数 为 100 匝的单层螺线管， 螺线管长度 l 为 0.07m （考虑导线绝缘处
参考文献
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采用有限元分析对产品的使用性能进行仿真， 可以方便观测设计 更改对产品性能的影响， 选择最优设计。这样不仅能够保证设计
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
产品的质量， 而且大大加速产品开发过程， 提高设计一次成功率。
参考文献
1 王勖成， 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法 ［ M］ . 北京： 清华大学出版 社， 2003
由计算可知， 当励磁电流为 1.3， 速度为 0.5 时， 磁性材料不 饱和， 根据额定电流与导线截面积的关系可知， 励磁线圈与感应 线圈可载电流为 2A 和 8A， 所以励磁线圈和感线圈均不过载。根 据阻尼器的结构参数可知， 阻尼器的结构形状大小可以在汽车上 应用， 提供的阻尼力也包含了乘用车常用的阻尼范围。因此此结 构的阻尼器在小型车辆上应用具有可行性。
设励磁线圈 1 和励磁线圈 2 产生的磁感应强度为 B， 则阻尼 ） 表示， 对于特定的的电磁阻尼器感应线圈长 力大小可用公式 （4 线圈电阻 R 是固定的， 只有磁感应强度 B 度 L 的大小是固定的， 是一可控变量。由公式 （4 ） 可得阻尼 C 的计算公式： 2 2 F B L C= ＝ （5 ） v R ） 可知： 当B 为定值时， 阻尼器为以被动悬挂， 是一 由公式 （5 种线性阻尼器。由结构设计可知 B 由励磁线圈产生， 故可以通过 控制励磁电流来控制 B 的变化， 从而控制电磁阻尼的变化。B 与 励磁电流的关系可以用以下方法求出： 首先做如下设定： （1 ） 设励磁线圈为单层螺线管； （2 ） 设感应 线圈运动范围都在两励磁线圈端部附近， 可认为线圈切割的磁感 ） 感应线圈在励磁线圈内部， 线强度都为励磁线圈端部的强度； （3 为简便计算， 不考虑漏磁影响； （4 ） 认为两励磁线圈磁场没有相互 叠加影响， 用两线圈在于扩大高强度磁场范围并使高强度磁场处 。 （5 ） 设在 于阻尼器的中部 （如相互影响按实测引入一系数即可 ） 励磁电流的变化范围内， 导磁材料都处于不饱和状态。励磁线圈 产生的磁场强度 H 在线圈端部可用下式计算： H = 1 ni 2 2l 2 1/2 =ni 2 l 2 1/2 （6 ） 2 （r + 4l） （r + 4l） n —励磁线圈每米长度的匝数； i —励磁线圈的电流， 单位为 式中： A； l —励磁线圈线圈长度，单位为 m； r —励磁线圈半径， 单 位为 m， 所以[3]： B = μr μ0 H ＝ μr μ0 ni 2 l 2 1/2 （7 ） （r + 4l） μr —磁性材料的相对磁导率； μ0 —真空磁导率，值为 4π× 式中： 10-7N · A-2。 综合式 （5 ） 与式 （7 ） 可得： 2 2 （ μ ） L r μ0 nil c＝ 2 （8 ） r + 4l2 R 由公式 （8 ） 可知此种结构的电磁阻尼器阻尼系数 c 与励磁线 圈电流 i 成平方关系， 因此在实际应用中可通过改变励磁电流来 控制阻尼器的阻尼系数。
农业机械磁流变复合阻尼器磁路结构设计
NONG YE ZONG HENG
农业机械磁流变复合阻尼器磁路结构设计
河南省烟草公司郑州市公司 刘英杰 刘剑君 刘文 河南农业大学机电工程学院 赵汉雨 丁攀
当前我国农业机械驾驶员座椅 大多没有良好的减振装置或仅仅靠 普通座垫或弹簧充当减振装置，驾 驶员在农田作业时就会处于低频高 振幅全身振动状态中，对驾驶员的 身体健康带来极大的损害。磁流变 阻尼器以其简单的结构，低能耗， 对环境无污染，并具有可调节的输 出力等特点，在农业机械制造领域 的应用中越来越广泛。因此，将磁 流变阻尼器运用到农业机械座椅上 有可能减轻驾驶员在操作拖拉机时 的振动。
弹簧
图 2 自适应磁流变阻尼器结构图
由永磁体产生的磁回路可以分 为①②两种。工作过程中当活塞杆 受拉力时，由 GMM 逆效应，其内 部磁畴沿轴向偏转，相对磁导率变 大，使磁回路①的磁通量增大，进 而使 MRF 间隙处的磁感应强度增 大，导致由 MRF 产生的阻尼力增大， 如图 3（a）所示。当 GMM 受压力时， 其内部磁畴垂直于轴向偏转，相对 磁导率变小，进而使 MRF 间隙处的 磁感应强度减小，导致由 MRF 产生 的阻尼力减小，如图 3（b）所示。
二、磁流变复合阻尼器工作 原理
根据以上原理设计制作了自适 应磁流变阻尼器，其结构如图 2 所 示。阻尼器初始状态下受预压力， 当活塞杆受到外力作用时，通过弹 簧使力加载到 GMM 上，使用牌号 为 N35 的 永 磁 体，MRF 在 间 隙 处 磁场的作用下产生阻尼力。
活塞杆
MRF 间隙
软磁体 磁轭 永磁体 GMM 永磁体 磁轭
【 基 金 项 目： 河 南 省 烟 草 专 卖
局（ 公 司 ） 科 学 研 究 与 技 术 开 发 项 目
多线圈式磁流变阻尼器的研制与性能分析
电感 厶 为 ：
三 ＝ ｌ ＋ ＋ ３ ～２（ １ ＋ ２ ３ Ｊ ） ＋７ ｌ ３ （） ６
标 。 ＭＲＤ反 应 速 度 的 快 慢 取 决 于 ＭＲＤ 中 电 磁 回路 而 的响应 时 间。 略 电磁铁 中的涡 流效 应 ， 电磁 回路可 忽 则
以简 化 为 由一 电感 和 电 阻 串联 而 成 的 电路 ， 图 １ 如 所
三
Ｕ
（ ）＋ Ｒ （ ）＝ （ ） ￡ ｆ ￡
通过式（ ４）～（ ） 两 种 连 接 方 式 的 电 感 进 行 比较 ６对
式 中 ： 、 是 回 路 线 圈 的 电感 和 电 阻 ； 是 输 入 电压 。 假定输 入 电压 为一 常量 ， 式 （） 解为 ： 则 １的
ｒ＝ ／ （） ３
２ 两种 电磁 回路 ＭＲ Ｄ结构 参数
由式 （ ） 知 ， 使 电 流 在 尽 可 能 短 的 时 间 内 达 到 ２可 要 指 定 值 就 应 使 尽 可 能 地 小 。 据 式 （ ） 电 磁 回路 的 根 ３ ， 设 计应 使 回路 中有 较小 的 电感 和较 大 的电 阻 。 阻随 电
成 ３ 并 联 小 线 圈 ， 图 ２ ｂ） 每 个 小 线 圈 的 有 效 长 度 个 见 （ ，
均 为 Ｚ ３， 有 效 线 圈 长 度 不 变 ， 圈 电 阻 不 变 ， 总 ／ 总 线 则
１ ＭＲ 电磁 回路 设 计 Ｄ
ＭＲＤ 的 反 应 速 度 是 决 定 系 统 动 态 性 能 的 重 要 指
圈 （ 图 ２ ） 其 电 感 厶为 ： 见 ａ，
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性 能 的 一 项 重 要 性 能 指 标 ， 文 将 从 动 态 响 应 时 间 这 本
磁流变液阻尼器的磁路有限元分析与优化设计方法
磁流变液阻尼器的磁路有限元分析与优化设计方法瞿伟廉;樊友川【摘要】对磁流变液阻尼器提出了基于磁路有限元分析的优化设计方法.首先运用HT100G型数字特斯拉计对自行研制的2T-MR阻尼器进行现场磁感应强度实测,获取了不同电流工况下阻尼器内外筒间隙处的磁感应强度实测值.然后,运用专业磁场分析软件对2T-MR阻尼器的工作磁路进行了有限元分析,并将试验结果与仿真结果进行了比较.分析结果表明,有限元方法的计算值与实测值非常接近,验证了仿真方法的可靠性.最后,运用该仿真方法对不同材料,不同结构参数的阻尼器进行了优化设计.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2006(023)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】2T-MR阻尼器;磁路仿真;磁感应强度;优化设计【作者】瞿伟廉;樊友川【作者单位】武汉理工大学,道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北,武汉,430070;武汉理工大学,道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北,武汉,430070【正文语种】中文【中图分类】TU317磁流变液(M R)智能阻尼器是一种优秀的半主动控制装置,具有控制力大,可调范围宽,温度适应性强,响应速度快且能耗低等优点.该装置的最大特点是,利用了磁流变液在磁场作用下能在毫秒级的时间内从牛顿流体转变成具有一定屈服强度的粘塑性体的智能特性.它只需要很小的能量输入就能调节和产生较大的阻尼力,克服了主动控制装置费用高、能耗大和装置复杂的缺点,适合在土木工程上应用.目前,在所有基于智能材料的适用于土木结构的减振装置中,M R阻尼器是发展最快和应用前景最广的一种.设计合理的M R阻尼器,减小阻尼器体积,提高阻尼器的可调范围,是充分发挥磁流变液智能特性所要解决的关键问题[1].对于磁路设计的问题,国内外许多学者运用有限元分析软件进行了阻尼器的仿真分析,但是大多数研究仅限于探讨M R阻尼器的最佳工作点即电流与磁路饱和的关系[2～4],很少有关于磁路系统截面对磁路系统效率的影响的研究.1.1 MR阻尼器的磁场实测针对自行研制开发的三段式2T-M R阻尼器进行磁感应强度现场实测(表1).实测所用数字特斯拉计的可调量程为0～200m T～2 T～10 T,分辨力为0.1 m T,0.001 T 和0.01 T,电流源采用0～30 V直流电源.阻尼器在现场实测时不灌入M R液体.试验对两种磁路进行测量,第一种为单独磁芯磁路,另一种为简单装配外筒磁路.工作电流在0.2～2 A之间以0.2 A的增幅变化.测试点选取两边单磁极沿圆周方向的4个点.点与点之间相隔90度(表2).由于磁芯产生的磁场对外筒的作用,导致内筒与外筒会相互吸引而使测量值产生较大误差.为此,在内外筒间隙处打上同样厚度的木桩避免内外筒之间的相互错动,并取4个点的均值作为该间隙处的磁感应强度.1.2 MR阻尼器的磁路有限元分析得到阻尼器磁路物理模型的试验数据后,运用有限元分析软件将其物理模型进行简化,建立有限元模型,采用二维电磁场有限元分析软件进行磁路仿真[5～7].考虑到阻尼器物理模型由其RZ截面旋转得到,而且阻尼器磁路关于R轴对称,故取阻尼器磁路的1/4结构进行建模(图1).对于直流磁场,选择二维静磁场M agnetostatic求解器.材料属性方面:背景材料选择空气,线圈选择铜导线,磁芯和外筒均为非线性材料Q 235钢材,必须事先加以定义,将材料离散的BH数据拟合成BH曲线.边界条件方面:左边界施加偶对称边界条件;由于两组线圈反绕,电流方向相反,故下边界施加奇对称边界条件;右边界和上边界均施加气球边界条件.电流源输入为磁路的安匝数.分析软件以能量误差为目标量,采用自适应网格划分及迭代求解,对较大误差存在的区域进行网格细化得到更高密度的网格,从而生成更精确的解.确定自适应分析的能量误差指标为0.5%,确定最小迭代次数为15次.每次迭代计算时,网格细化率为50%.由表2可见,实测值与仿真计算得到的磁感应强度比较接近,相对误差最大为-15.857%,最小仅为-0.033 3%.且随电流的增长,相对误差较稳定地保持在3%～5%.最佳的仿真点在1 A左右,这与阻尼器最佳工作电流接近.据上可知,有限元方法的仿真效果是比较精确的.在阻尼器磁路设计中,可以借助于电磁场分析软件进行前期的仿真与优化设计,发挥磁路最大的磁通能力而得到最为经济有效的阻尼器磁路设计.2.1 M R阻尼器的整体磁路分析阻尼器以上的磁路仿真是根据试验要求在简单装配下的仿真计算.为了研究阻尼器磁路的磁场分布状态,磁饱和与磁泄漏状况以及优化设计,必须建立阻尼器完全装配的磁路仿真模型.建立计算模型前对磁路的物理模型有如下简化:取阻尼器平衡位置进行仿真计算;忽略磁流变液的流动性能;考虑到磁泄漏问题,磁路范围取至两端活塞处,认为蓄能器部分不受磁场影响;由于磁芯与活塞杆材料相同,将两部分看作整体处理.与上述建模同样步骤,同样定义M R液体的BH曲线,边界条件以及电流源相同,有限元模型如图1.图2显示了电流为1 A时的磁场强度分布情况.从图2中可见,磁芯下部靠近线圈部分磁感应强度最大,可以推测这里可能达到了磁饱和.2.2 磁饱和与磁泄漏如图3所示,通过计算阻尼器的3个代表截面的磁通量来研究其磁泄漏与磁饱和问题.图3中,右侧截面代表通过外缸筒的磁通截面(Y截面),左侧截面代表通过磁芯的磁通截面(C截面),中间截面代表通过磁流变液体的磁极截面(M截面),在0～4 A的范围内计算其磁通量(图4).因为是取对称结构进行计算,所以图4所示的磁流变液体磁极截面为图3模型中的两倍,磁通量也为其两倍.由图4可见,磁芯截面和外缸筒截面的磁通基本相等,而且两者之和与磁流变液截面的磁通也非常接近,说明此阻尼器的磁路非常良好,整个磁路的磁泄漏很小.同时,由图4可见,随着电流的增长,磁芯部分和外缸筒部分的磁通趋于饱和;另外,从2.1节的仿真结果可以看出,磁芯下部靠近线圈部分磁感应强度最大.所以在阻尼器整个磁路中,磁芯部分最先达到磁饱和.为了挖掘剪切阀式阻尼器的更大效能,可以从磁芯部分着手,在现有开发的阻尼器基础上进行仿真优化,使阻尼器在更高的磁通能力上达到饱和.2.3 M R阻尼器磁路的优化设计可以从两个方面对现有的阻尼器的磁路进行仿真优化.其一,从阻尼器的选材方面进行优化;其二,从阻尼器的结构尺寸方面进行优化.2.3.1 M R阻尼器材料优化为了提高磁芯的导磁能力,要求磁芯材料磁导率高,当线圈匝数一定时,通以不大的电流,就能产生较大的磁感应强度.磁流变液阻尼器阻尼通道中的工作磁感应强度一般为0.3～0.9 T,选用磁芯材料时应将最大磁导率作为选择材料的主要依据.要求材料的磁滞回线所包括的面积小,矫顽力低,磁导体中有涡流损失和磁滞损失小,可以选用一些磁导率高、矫顽力低以及磁饱和度高的材料如电工纯铁、硅钢、铁铝合金及软磁铁氧体等[4].2.3.2 M R阻尼器结构优化在原先开发的2T-M R阻尼器的基础上进行结构优化.阻尼器型式仍然沿用剪切阀式,磁路的控制截面对阻尼器导磁能力的影响作如下讨论.a.磁极长度越长,磁通能力越强.在二维空间中用长度来表示截面.令磁极长度为Lm,外缸筒壁厚为Hy,磁芯截面半径为Rc,m=Lm/Rc,k= Hy/Rc,分别在Rc=253 035 404 550mm,m=0.1～2,k=0.1～1时进行仿真计算,以磁芯截面磁通量为目标函数,阻尼器工作电流为0～4 A.b.磁芯截面与外缸筒的仿真.以1 A,Rc=35 mm为例.随着外缸筒筒径增大,即值增大,磁通量不断增大,在k=0.4～1之间时,磁通量接近饱和(磁极长度不变),阻尼器磁通能力受到限制.故在结构设计时,考虑到磁路效率以及材料用量,一般地,k取0.4左右为宜(图5).c.磁芯截面与磁极长度的仿真.显然,磁极长度越长,即m值越大,磁芯截面磁通量越大,阻尼器磁路的磁通能力越强.试验取k=0.4,Rc=40 mm,I=0.5 A,1.0 A,1.5 A,2.0 A,2.5 A,3 A进行仿真计算,讨论m与磁芯截面磁通量的关系.如图6所示,电流越大,磁路的饱和点越小即m值越小,其饱和点基本上在m=Lm/Rc=0.9～1.5.所以在结构设计中,一般地,m取1.0～1.2.d.磁芯截面与磁通量的回归关系.以磁芯截面磁通量为目标函数,取Rc=21～45 mm,每1 mm进行一次仿真,外缸筒与磁极长度按上述讨论分别取k=0.4,m=1.0,磁路分别在1 A,2 A和3 A下工作.由图7可见,得到磁芯截面半径与磁通量的回归关系基本成线性关系.所以,为了得到磁路较大的磁通能力,磁芯截面半径取得较大为宜.考虑到磁芯、磁极和外筒等工作环境以及整个磁路的结构要求,针对不同要求的阻尼器,应该妥善确定磁芯截面半径以发挥阻尼器的最大效能.运用专业电磁场有限元分析软件对2T-MR阻尼器进行了仿真分析以及优化,通过试验方法验证仿真结果的可靠性.a.自行研制的2T-M R阻尼器磁路工作良好,符合初步设计要求.b.运用专业电磁场有限元软件对阻尼器的磁路进行仿真是比较可靠的,通过有限元模型进行磁路计算与设计基本可以代替磁路的物理试验.c.通过仿真分析可以得到阻尼器较为优化的磁路设计.【相关文献】[1]欧进萍.结构振动控制[M].北京:科学出版社, 2003.[2]张红辉,廖昌容,陈伟民.磁流变阻尼器磁路设计与性能的相关性研究[J].仪器仪表学报,2004,(8): 546-550.[3]李忠献,吴林林,徐龙河,等.磁流变阻尼器的构造设计及其阻尼力性能的试验研究[J].地震工程与工程振动,2003,(2):128-132.[4]廖昌容,陈伟民,余淼,等.磁流变阻尼器件设计中若干技术问题探讨[J].功能材料与器件学报, 2001,(12):345-349.[5]刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2005.[6]王蔷,李国定,龚克.电磁场理论基础[M].北京:清华大学出版社,2001.[7]金建铭.电磁场有限元方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.。
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关 键 词 ： 车 ； 流 变阻 尼 器 ；线 圈 外置 式 ； 感 应 强 度 ； 场 强度 ； 力线 ； 限元 分析 汽 磁 磁 磁 磁 有
中 图分 类 号 ： ６ ． Ｕ４ ３ ３ 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ １ ２ ６ （ ０ ０ ０ ～０ ０ — ０ １ ７ — ６ ８ ２ １ ）６ ０４ ５
汽 Ｍ］ 第 北 机 ［ ｏ 余 志 生 ． 车 理 论 ［ ． 四 版 ． 京 ： 械 工 业 出 版 １］
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［ １ 刘惟信 ． １］ 汽车制动 系的结构分 析与设 计计算 ［ ． Ｍ］ 北
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［ ２ 杨 晓 明 ， 清 盈 ， 培 恩 ， 盘 式 制 动 器 的 全 性 能 优 １］ 邱 冯 等． 化 设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计 ［］ 中 国机 械 工程 ，Ｏ ５ ７ ． Ｊ． ２Ｏ（）
收稿 日期 ： Ｏ Ｏ ３ ２ ２ １ —Ｏ 一Ｏ
［ ］ Ｘｉ ｂｎＮｉ ， ｉ Ｍｅｇ ｉ ｌ ｉ ａｅ ｅｉｎｆｒ ９ ａ ｉ ｎ Ｂｎ ｏ ｇ ｎ ．Ｓｍｕａ ｏ ｂ ｓｄｄ ｓ ｏ ｔｎ ｇ ｈａ ｙｔｕｋｂ ａｅＲ ． ＡＥ Ｐ ｐｒ２ ０ ． ｅｖ ｃ ｒｋ ［ ］ Ｓ ａｅ ，０ ９ ｒ －
磁 线 圈与引 导磁体 部 分 运动 的摩 擦 阻力 ， 防尘 罩 在
１ 线 圈外 置 式 磁 流 变 阻 尼器 结 构
图 １ 线 圈外 置式 磁 流变 阻 尼器 的结 构简 图。 为 其 中引导 活塞 的主要 目标 是保 持工作 活塞具 有较好 的稳定性 及保持环 形 阻 尼孔 的形状 ； 浮动 活 塞将 磁 流变液与 补偿气室 分 隔 开 ， 活塞 运 动所 导 致 的流 量 差 由气 室 来 补 偿 ， 间采 用 Ｏ形 密封 圈 。 减 小励 其 为
＊基 金项 目：南京 林 业 大 学 高 学 历 人 才科 研 启 动 基 金 资助 项 目（ ２０ － １） Ｂ ０ ８ ３
公 路 与 汽 运
总 第 １ １期 ４
Ｈｉ ｇｈｗａ ｙｓ ＆ Ａｕｔ ｏ ｉ ｅＡｐｐｌｃ ｔｏ ｓ ｏｍ ｔｖ ｉａ ｉ ｎ ５
分 之一轴 对称 平 面 电磁 场 进 行计 算 。选 用 Ｐ ａ ｅ ３ ｌｎ １
摘
要 ： 于 ＡＮ ＹＳ软 件 的 电磁 场 有 限 元 分析 模 块 ， 不 改 变磁 动 势 的 前提 下 ， 合 理 化 阻 基 Ｓ 在 从
尼 器 阻尼 通 道 中磁 场 分 布 的 角度 出发 ， 论 了一种 线 圈外 置 式 磁 流 变 阻尼 嚣磁 路 主 要 部 件 选材 和 讨
主要 结 构 参 数 对 其 阻尼 通 道 内场 强 大 小及 磁 力 线 分 布 的 影响 ， 在 此 基 础 上优 选 磁 路 的 主 要 结 构 并 参 数 和 材 料 。研 究 结果 表 明 优 选磁 路 结 构 参 数 与材 料 后 的 阻尼 器 具 有 较 大 的 阻尼 力 输 出和 较 宽
磁流 变阻尼 器具 有 输 出力 大 、 积小 、 应 快 、 体 响
阻尼力连续顺 逆可 调 、 与计 算 机 结合 实 现智 能化 易
控制 等优点 ， 因而在 车 辆 工程 领 域具 有 广 阔 的应用
前景 。其励磁 线圈 主 要有 两 种布 置 方式 ， 即线 圈置
于工作 缸外 （ 简称外 置式 ） 和线 圈 置 于工 作缸 内（ 简
Ｈｉ ｈ 路 ｔ ｍｏ ｉｅ 运 ｔｏ ｓ ｇ 公ｙ ｗａ ｓ＆ Ａｕ 与 ｔ汽 ｌｃ ｉｎ ｏ ｖ Ａｐｐ ｉａ
４
第 ６期
２１ ０ ０年 ｌ １月
线 圈外 置 式 磁 流 变 阻 尼 器 磁 路 设 计 分 析 ＊
徐 晓 美 ，曾 才 民 余 伟 ，
（． １ 南京 林 业 大 学 汽 车 与 交 通 工 程 学 院 ，江 苏 南京 ２ ０ ３ ； ． 京 交通 技 师 学 院 ，江 苏 南 京 ２ ０ ４ ） １０７ ２ 南 １ ０ ９
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［７ 许乐生 ， ７ 郝新平． 汽车 Ｓ型凸轮鼓式 制动器间隙 自动调
整臂 与 整 车 的 匹 配 研 究 ［ ］ 现 代 制 造 技 术 与 装 备 ， Ｊ． ２０ （） ０ ７ ６．
塞 ； ８０形 密封 圈 ； ９工作 活 塞 ；ｏ励 磁 线 圈 ； １引 导 磁 体 ； ２减 磨 １ １ １
套 ；３填 料 密 封 ； ４端 盖 。 １ １
用 磁场有 限元分析 方 法 ， 究其 阻 尼通 道 中场强 大 研
小 和磁力线 分布 的影响 因素 。
图 １ 线 圈 外 置 式 磁 流 变 阻 尼器 结 构 简 图
与工作 缸筒接 触 的上 下两 端 的 三个 位 置采 用 钢球 ，
同时在工 作缸 筒外侧 对应 活塞 运动行 程 的长度上 开 有钢 球运 动 的小 槽 。
２ 阻尼 器 有 限 元模 型 的建 立
所 研究 的磁 流变 阻尼器 的磁路结 构是一个 典型 的 轴对 称 结构 ， 可将三 维 电磁 场 问题简 化为 二维 二
称 内置式 ） 目前 ， 圈 内置 式磁流变 阻尼器 虽 已在 。 线 各工程 领域得 到了广 泛 应 用 ， 但其 长 时 间工 作后 的 发 热 问题及 输 出力 与阻 尼器结 构大小 间的矛盾 都还 有 待解决 。该文对 一种 线圈外 置式磁 流变阻 尼器运
１吊 环 ； ２防尘 罩 ； ３括 塞杆 ； ４引 导 活塞 ； ５套 筒 ； ６工 作 缸 ； ７浮 动 括