多环槽式磁流变阻尼器阻尼力计算及实验结果分析

　　磁流变液是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的流变力学特性,这一特性对于动力学主动控制非常有用。由磁流变液制成的阻尼器结构简单、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及车辆悬架系统等[1]。

　　1　多环槽式磁流变阻尼器动力学模型

　　磁流变技术研究是利用磁流变体在外磁场作用下改变流变特性的特点,开发各种用途的装置。其工作模式有下列3种: (1)节流模式; (2 )剪切模式;(3)挤压模式。本文设计的多环槽式磁流变阻尼器工作于节流和剪切的组合模式。其结构原理如图1所示。

　　1·1　磁流变液的力学模型

　　磁流变液在没有磁场作用时,磁流变体表现为近似牛顿流体特性,其剪应变和剪应力成正比。在外加磁场作用时是一种非牛顿流体,它的本构关系可近似用Bingham塑性模型描述[2-3]:

　　式中:τ为剪切应力,τy为屈服应力,η为动力粘度,γ为剪切应变率。

　　1·2　磁流变阻尼器的力学模型

　　由阻尼器的结构可知,磁流变液流经缸筒与活塞的间隙h与活塞直径有关,一般为1 ~2mm,此值与活塞的周长以及活塞的轴向长度L相比非常小,因此可将其结构简化为图2所示平板结构。

　　根据阻尼器的结构和工作原理可知,磁流变液在阻尼器内的运动形式可以分为2种情况来考虑:一方面,活塞挤压缸体中一侧的磁流变液,使其压力增高,使阻尼器两侧腔内产生压力差,该压力差使磁流变液通过缝隙流向缸体中活塞的另一侧,称为压差流动;另一方面,由于缸体与活塞之间的相对运动,拖动磁流变液从一测流向另一侧,称为剪切流动。所以,磁流变阻尼器的总的阻尼力将由阻尼力Fp和Fs合成。对于压差流动,其阻尼力计算公式为:

　　由式(2)、(3)叠加可得磁流变阻尼器阻尼力的计算公式:

　　式中:Ap为活塞受到压力的有效面积; u(t)为活塞与缸体的相对流速; D为活塞的直径; L为活塞的长度; h为工作间隙;η是流体的动力粘度;τy为屈服应力。其中τy和η都与磁流变液的磁感应强度B有关,其它参数为已知。

　　由于τy和η与B的关系为非线性,可以用关于B的n次多项式表示,记作:

　　1·3　磁流变阻尼器的磁路模型

　　从磁路的角度讲,由磁介质中的安培环路定理:

　　式中:Bi为对应磁路的磁感应强度,μi为相应材料的磁导率, li为封闭磁路中的第i段的长度, N为线圈的匝数, I为线圈所加电流。