磁流变阻尼器优化设计与性能分析

　　把磁流变液应用于实际工程结构中是近年来工程技术领域一个比较引人注目的研究方向。利用磁流变液的力学性能,尤其是粘度和剪切屈服应力迅速、可逆变化这一特性,可得到一种易于控制、连续可调的阻尼介质,为结构振动抑制研究提供了一种新的思路。

　　近年来,磁流变液制作阻尼器已受到广泛的重视,如美国、日本、德国的大汽车公司在汽车悬架上使用磁流变阻尼器来改善减振效果。Spencer[1]等人建立了磁流变阻尼器阻尼力的Bouc-Wen模型,Farhan Gandhi[2]等人也曾进行了将磁流变阻尼器应用于直升机旋翼上以实现振动控制的研究。国内也有相关的学者将磁流变阻尼器应用于航空、建筑等方面的振动控制研究。文献[3,4]分别研究了磁流变阻尼器工作原理以及阻尼力计算模型。就国内外磁流变阻尼器设计的研究现状而言,对阻尼器的结构参数和磁路参数优化设计的研究还未见到相关的文献报道。

　　本文采用磁流变液作为阻尼材料,设计制作了一种双出杆磁流变阻尼器。文中主要讨论了磁流变阻尼器结构设计、磁路设计的基本原理,并优化设计了磁流变阻尼器的结构参数,讨论了结构参数对磁流变阻尼器性能的影响,最后给出了磁流变阻尼器结构参数的匹配关系。

　　1　磁流变阻尼器工作原理

　　磁流变阻尼器是基于磁流变液流变特性的一种阻尼可控器件,它的最大阻尼力主要依赖于磁流变液的性能、阻尼器工作模式以及阻尼器的结构尺寸。磁流变阻尼器的基本工作模式有流动模式、剪切模式以及挤压模式[3]。在实际工程应用中磁流变阻尼器主要工作模式是流动模式,因此以下只讨论这种模式下的工作原理。在流动模式下,磁流变阻尼器的阻尼力Fd由两部分组成,一部分为液体流动时粘性产生的阻尼力Fη,另一部分为磁流变效应产生的阻尼力Fτ。其表达式分别为[4]

　　式中:η为磁流变液的零磁场粘度;Q为流量;L,w,h分别为极板长度、宽度和极板间间距;Ap代表活塞的有效截面积;τy是施加的磁场强度H所引起的动屈服应力;参数c为2～3之间的一个数。

　　由于非线性Bingham塑性模型形式简单、物理概念清楚,且具有一定的精度,适合于阻尼器的初步制作和性能估计[5],因此本文采用非线性Bingham塑性模型来描述磁流变阻尼器的力学特性。

　　考虑到磁流变液的流量和活塞的运动速度的关系,即

　　式中:L为活塞表面上磁力线垂直穿过区域的长度;h为环状间隙的间距,h=(d1-d2)/2,d1、d2分别为缸筒内径和活塞直径;w为等效极板宽度,w=π(d1+d2)/2,如图1所示;Cp0为磁流变液屈服后的阻尼系数;Fτ为磁场引起的屈服力(即磁流变效应产生的阻尼力)。