磁流变减振器磁路结构的参数化优化设计

　　1 引言

　　磁流变减振器以其控制力大、可调范围宽、温度适应性强、响应速度快且能耗低等优点，正在逐渐应用于汽车、机械及土木结构等减振领域[1-2]。磁流变减振器的工作介质是磁流变液，其特[3-4]，磁流变减振器的阻尼力也因此随着电磁场的改变而改变。所以，磁路要在工作区域提供足够的磁场强度，以使阻尼力达到工作需求。但是，磁路的磁场强度过大，以致超过了磁芯材料的磁饱和度而形成磁路饱和，也会使整个磁路的磁场强度不够。因此，磁流变减振器合理的磁路及其结构设计是磁流变减振器研究的关键内容之一。

　　目前，对于磁路结构的优化设计，国内外许多学者运用有限元软件进行磁路结构的仿真分析。文献[5]对磁流变阻尼器进行结构优化时，分别仿真分析了磁极长度、磁芯截面和外缸筒厚度对磁路结构的影响。文献[6]经过大量的仿真分析，指出了工作间隙宽度、缸壁厚度和绕线槽深度对磁感应强度的影响。尽管他们对磁路结构进行了优化，但是他们是经过大量的仿真得到的结果，而且只是指出了部分结构参数对磁路的影响，并未得到一组最优的值。由于磁流变减振器的磁路结构基本相同，因其使用场合、要求的不同，在结构尺寸上有所不同，如果采用常规设计方法，逐一进行优化，重复的工作量很大。文献[7]采用多目标遗传算法，以阻尼力和可调倍数为目标，对磁路结构进行优化。文献[8]采用 APDL 语言，以磁路结构的最小体积为目标对磁路结构进行优化。他们使仿真的工作量大大减小，而且得到了最优的结构参数。由于工作间隙处的磁感应强度对磁流变减振器的工作性能有着直接的关系，而以往的文献并没有以间隙处的磁场强度最大为目标进行磁路结构的优化。文献[9]以间隙处的磁感应强度为目标进行了磁路结构的优化，但是，他们的优化过程并未设置约束条件，而且是使目标函数逐步达到最小值，得到的结果并未使间隙处的磁感应强度达到最大。

　　根据某磁流变减振器的磁路结构，以工作间隙处磁场强度最大为优化目标，以导磁盘、导磁套和缸筒中的最大磁感应强度为约束条件，建立优化设计模型。用 ANSYS 的参数化编程语言APDL 编写优化程序，对此减振器结构进行优化。并通过优化前后的磁路结构在工作间隙所能产生的磁感应强度对比，来验证优化设计后的合理性。

　　2 磁流变减振器的工作原理及结构设计

　　磁流变减振器是以新型智能材料—磁流变液作为其工作液，并在减振器某一位置上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变液的屈服应力，实现阻尼力的连续可调。分析的是线圈内置，压差与剪切模式混合的磁流变减振器，其结构原理图，如图 1 所示。磁路结构，如图 2 所示。励磁电流形成的磁力线从导磁套出发经过导磁盘，然后通过阻尼通道，进入缸筒，最后又通过另一部分阻尼通道，穿过导磁盘进入导磁套形成闭合的回路。