基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析
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
基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析
（） ２ （） ３
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其中 ，
为动 态 屈服 应 力 ，它 是磁 感应 强度 Ｂ的
尼霸 线 盘 ～
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函数 ；，为磁流变液零磁场作用时的粘度 ； 为剪 ７
切率 ．
流变液
宾汉模型假定在零磁场 时液体的屈服应力为
作用的情况下 ， 磁流变液处于液体状态 ， 所能传递
的 力矩仅 为粘性 阻 力矩 ，阻 尼转 矩 很低，当有 足够
强度的外加磁场作用时 ， 磁流变液 中的磁性粒子马
上被磁化 ， 并沿着磁 力线方向成链状分布， 这种链
其中 ，ｄ 为盘型磁流变液所产生的微剪切力． 作为智能材料的磁流变液 ，可随外部磁场在 “ 一液”两相问转换的现象用宾ｔ （ｉ ｈｍ 模 固 ％Ｂｎ ａ ） ｇ
文章编 号：０ １ １２（ ０７） ４０４ ．５ １０ ． ３ ２ ０ ０ ．５ ７０ ５
基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析
苏会 强 ，郑 堤
（ 宁波大学 工学 院 ，浙江 宁波 ３５ １ ） １２ １
摘要 ：根 据磁 流 变液在磁 场 作 用下 可进行 固 一液 转换 的特 点 ，设 计 了一 种回 转式 阻尼 器，并建
如磁 力线 、 磁感 应 强度 、 磁场 强度 、 涡流 、电磁 力 、
电场分布和 电感等＿ 而回转式阻尼器可作为回转 １ 】 ．
机械的实时 、 可控的加载装置 ， 本文将就其结构的 设汁和其磁场有限元分布等问题作一些探 泔研究
磁流变液在汽车 、 机械 、 航空 、 建筑及医疗等领域 具有广泛的应用前景 ， 认为是未来极具前途的智 被
立 了相 应的 阻尼 器力矩模 型 ，叉利 用 Ａ ＹＳ ９ ＮＳ ． ０软件 对其 磁场 分布 进行 了仿 真．总 结 了设 计磁
新型磁流变液阻尼器的研究和开发
新型磁流变液阻尼器的研究和开发近年来，随着科学技术的不断发展，新型材料的研究和开发成为了不少科研人员的重要研究领域。
其中，磁流变液阻尼器作为一种新型液压缓冲器，具有在工程领域应用广泛和优越的动态机械性能等优点，引起了众多科研人员的关注和研究。
本文将探讨新型磁流变液阻尼器的研究和开发。
磁流变液阻尼器是一种基于磁化沉淀的新型液压缓冲器，由主缸、活塞、工作腔、磁场发生器、控制系统等组成。
通过改变磁场的强度和方向，可以控制阻尼器内磁流变液的粘度和阻力。
相比传统的液压缓冲器，磁流变液阻尼器有着更加优越的动态性能，并且能够更加灵活地进行控制。
因此，磁流变液阻尼器在现代工程领域中得到了广泛应用，如汽车悬挂系统、工程机械阻尼器、风力涡轮机等。
然而，磁流变液阻尼器的研究和开发仍然存在着许多挑战和难点。
一方面，磁流变液阻尼器面临着磁场强度不易控制、磁流变液粘度易受到温度影响、磁场对液体金属性影响等技术问题。
另一方面，在研究和开发过程中也存在着设计和制造成本高、性能测试难度大、结构刚度与阻尼性能难以平衡等问题。
针对这些问题，科研人员采用了多种研究方法和技术手段，不断推进磁流变液阻尼器的研究和开发。
其中，磁流变液成分的优化和磁场控制技术是较为重要的研究领域之一。
通过改变磁场的强度和方向，可以实现对磁流变液沉淀程度和粘度的控制，从而达到阻尼器的灵活调控和阻尼性能的优化。
此外，科研人员还不断探索新的材料、新的工艺以及新的结构设计方法，优化磁流变液阻尼器的性能，并且逐步降低制造成本。
值得注意的是，虽然磁流变液阻尼器存在着一定的研究难度和技术挑战，但是其中的研究和开发成果对于推进科技进步和现代工程领域的发展具有重要的意义。
在科研人员持续的努力下，相信未来，新型磁流变液阻尼器的性能和应用前景将不断得到提高和拓展，对于实现现代工程的高效、安全、环保等目标发挥着不可替代的作用。
总之，新型磁流变液阻尼器的研究和开发是一个相对新颖和前沿的研究领域。
基于混合模式磁流变阻尼的有限元分析及实验
基于混合模式磁流变阻尼的有限元分析及实验刘薇娜;王勐【摘要】Magnetorheological (MR) damper is a semi-active suspension device that uses MR fluid to produce controllable damper. The mechanical properties of the suspension can be controlled by adjusting the yield stress of MR fluid. This paper presents the design of a new concept for MR damper with a combination of shear and squeeze working modes. Finite element method is utilized to simulate the magnetic field generated in MR damper. The experimental tests are performed under quasi-static loading in three different conditions , namely shear mode , squeeze mode and combination of both modes. The results show that the mixed mode MR damper has produced a unique damping characteristic where in general , a higher damping force has obtained in mixed mode than single mode.%磁流变阻尼器是利用磁流变效应产生可控阻尼力的一种智能机械装置，通过调节磁流变液的屈服应力来控制阻尼器的机械性能。
磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型
磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型磁流变阻尼器（MR阻尼器）是一种利用磁流变技术实现阻尼控制的装置，具有实时响应性、快速调节性和可靠性强等特点，广泛应用于各种工程领域。
磁流变阻尼器的工作原理是利用磁流变液在外加磁场作用下的流变特性，通过改变磁场强度来调节磁流变液的黏度，从而实现对系统阻尼特性的调节。
本文旨在研究磁流变阻尼器的拟静力力学特性及力学模型，为磁流变阻尼器的设计和应用提供理论支持。
磁流变阻尼器的拟静力力学特性是指在外加静载荷作用下，磁流变阻尼器的力学特性表现为阻尼力与位移之间的关系。
磁流变阻尼器在拟静力状态下的力学特性是其工作性能的重要指标，直接影响其在各种工程领域的应用效果。
研究磁流变阻尼器的拟静力力学特性对于其设计和优化具有重要意义。
在研究磁流变阻尼器的拟静力力学特性时，首先需要建立磁流变阻尼器的力学模型。
磁流变阻尼器的力学模型包括结构模型和磁流变液的流变特性模型。
结构模型用于描述磁流变阻尼器的外部形态和内部结构，包括磁流变液的容器、橡胶密封圈、磁场产生器等各个组成部分。
磁流变液的流变特性模型用于描述磁流变液在磁场作用下的流变行为，包括黏度随磁场强度的变化规律。
建立完整的磁流变阻尼器力学模型是研究其拟静力力学特性的基础。
在建立磁流变阻尼器的力学模型后，可以通过理论分析和数值模拟的方法研究其拟静力力学特性。
理论分析可以利用经典的弹性力学理论和流变学理论，推导出磁流变阻尼器在拟静力状态下的力学特性模型，包括阻尼力与位移之间的函数关系。
数值模拟通常采用有限元分析方法，通过建立磁流变阻尼器的有限元模型，对其在不同工况下的力学特性进行仿真计算，得到阻尼力-位移曲线等重要参数，为磁流变阻尼器的设计和应用提供参考。
研究磁流变阻尼器的拟静力力学特性还可以通过实验手段进行。
实验可以利用加载试验机等设备，对磁流变阻尼器在拟静力状态下的力学特性进行测试，获得阻尼力-位移曲线、阻尼力-速度曲线等实验数据，验证理论分析和数值模拟结果，为磁流变阻尼器的设计和应用提供可靠的实验基础。
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。
磁流变液阻尼器综述
半主动控制—磁流变液阻尼控制系统摘要：结构振动控制是一种新型的抗震技术,其中半主动控制是介于被动控制与主动控制之间的一种控制技术,其仅需少量外加能源,便可产生接近主动控制的效果。
由智能材料磁流变体制成的磁流变阻尼器不仅具有结构简单,体积小,反应快,能耗小和阻尼力连续顺逆可调等优点外,而且还易于和计算机相结合。
在半主动控制下,磁流变阻尼器可以有效地减小建筑结构的风振和地震反应。
因此,国内外己经有越来越多的学者投入到此方面的研究中来,并已取得了一定的成果。
本文根据国内外研究成果，介绍了磁流变阻尼器构造特点，力学模型及其控制算法。
关键词：磁流变液阻尼器；力学模型；半主动控制1 磁流变液磁流变液（Magnetorheological Fluid，简称MRF）最早是美国国家标准局Rabinow （1948）发明和研制，它主要由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率，低磁滞性的微小软磁性颗粒组成。
在零磁场情况下，流变液的颗粒杂乱无章地分布在液体中，无规则的自由流动。
其力学性能与普通流体一样，是具有线性粘滞力的牛顿流体（如图1所示）。
在磁场作用下，MRF可在毫秒级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动性的Bingham塑性固体。
磁流变液内的颗粒在两个磁极之间形成颗粒链，沿磁场方向呈“一”字状有规律的排列，这限制了流体的自由流动，使流体转变成一种具有一定抗压强度(剪切屈服强度和粘滞力的半固体)并且此过程可逆（如图2所示）。
当磁场撤离后，MRF又恢复成初始牛顿流体。
性能最大场强最大剪切屈服应力/KPa表观黏度/(Pa·s)适用温度/℃杂质敏感性密度/(g/cm3)输入电压/VMRF250A/mm5～100 0.2～1.0-5～150 不敏感3～4 2～25 优点：（1）所需输入电压小。
（2）剪切屈服强度高，可达到50～100KPa。
（3）对体内杂质影响不敏感，而且温度适应范围宽。
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
磁流变液在阻尼器中的应用研究
磁流变液在阻尼器中的应用研究近年来，随着科学技术的发展，磁流变液技术在工程领域逐渐引起了人们的广泛关注。
尤其是在阻尼器这一领域，磁流变液的应用已经展现出了重要的潜力。
本文将探讨磁流变液在阻尼器中的应用研究。
一、磁流变液的基本原理首先，我们需要了解磁流变液的基本原理，才能更好地理解其在阻尼器中的应用。
磁流变液是一种由磁性颗粒悬浮于基础液体中形成的材料，其颗粒尺寸一般在微米量级，可以通过改变磁场来调节其粘度和流变性能。
磁流变液的粘度在磁场的作用下可以迅速改变，由此产生的阻尼效应可以用于减震系统中，使得结构在受到外力作用时能够更好地吸收能量，提高系统的稳定性和安全性。
除此之外，磁流变液还具有响应速度快、控制精度高等优点。
二、磁流变液阻尼器的工作原理在磁流变液阻尼器中，磁流变液被置于活塞和缸体之间的空间中，当磁场作用于磁流变液时，磁性颗粒会发生聚集，从而改变阻尼器的粘度。
通过控制磁场的强弱，可以实现阻尼力的调节。
阻尼器的工作原理可以简单描述为：当外力作用在结构上时，结构会振动，并传递给阻尼器；磁流变液在磁场的作用下改变其粘度，产生阻尼力，从而减缓结构的振动；最终，通过阻尼器的作用，结构的振幅逐渐降低，直至停止。
三、磁流变液阻尼器的应用研究在智能材料和结构领域，磁流变液阻尼器的应用研究日趋深入。
下面就几个典型的应用案例进行介绍。
1. 汽车减振系统中的应用近年来，汽车工程领域对于减少车辆的振动和噪音越来越关注，因此磁流变液阻尼器在汽车减振系统中的应用得到了广泛研究。
通过在车辆悬挂系统中引入磁流变液阻尼器，可以在不同的行驶条件下实现对车辆振动的主动控制，提高乘坐的舒适性。
2. 桥梁结构的减震控制桥梁作为交通工程中重要的基础设施之一，其结构的安全性和稳定性对于保障交通运输的顺利进行至关重要。
磁流变液阻尼器的应用可以有效地减少桥梁结构在地震和风力作用下的振动，并降低应力和变形。
通过控制磁场的强度，可以使桥梁结构在受到外力作用时表现出更好的抗震性能。
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第20卷第4期宁波大学学报（理工版）V ol.20 No.4 2007年12月JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY ( NSEE ) Dec. 2008文章编号:1001-5132（2007）04-0547-05基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析苏会强，郑堤（宁波大学工学院，浙江宁波 315211）摘要：根据磁流变液在磁场作用下可进行固－液转换的特点，设计了一种回转式阻尼器，并建立了相应的阻尼器力矩模型，又利用ANSYS 9.0软件对其磁场分布进行了仿真. 总结了设计磁流变阻尼器应注意的问题，为磁流变液阻尼器的结构设计和制作提供了相应的理论依据.关键词：回转式磁流变阻尼器；磁场分析；有限元分析中图分类号：TH138 文献标识码：A磁流变液(Magneto Rheological Fluid，MRF)是当前智能材料研究领域中的一个重要分支. 它在无外磁场作用下，具有良好的流动性；而在磁场作用下，可在毫秒级时间内从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的Bingham粘塑性体，其表观粘度可增大2个数量级以上，呈现类似固体的力学性质，且这种转变是可控、连续和可逆[1]. 近年来，磁流变液及其应用器件的研究引起了国内外学者和工业界的广泛兴趣，美、日、俄、法、德等发达国家均投入了巨大的财力和物力开展这方面的研究. 目前，磁流变液在汽车、机械、航空、建筑及医疗等领域具有广泛的应用前景，被认为是未来极具前途的智能材料之一. 针对各种不同的工程应用对象，研究者们主要采用试验研究法研究和开发相应的磁流变阻尼器. 当应用对象和目的不同时，磁流变阻尼器的励磁磁路、器件结构及材料属性也将改变，相应的磁流变阻尼器也需作必要的更新设计与开发，并反复进行试制和测试以满足工程要求. 通常，这种试验研究方法会增加磁流变阻尼器的研究成本和新产品的开发周期，在一定程度上制约了磁流变阻尼器的工程应用推广.有限元法(Finite Element Method，FEM)是目前工程技术领域中实用性强、应用广泛的数值模拟方法之一. 有限元仿真分析工具ANSYS则是基于有限元法的大型数值模拟软件，其中的电磁场分析模块ANSYS/Emag可用来求解电磁场的多方面问题，如磁力线、磁感应强度、磁场强度、涡流、电磁力、电场分布和电感等[1]. 而回转式阻尼器可作为回转机械的实时、可控的加载装置，本文将就其结构的设计和其磁场有限元分布等问题作一些探讨研究.1回转式阻尼器的设计1.1阻尼器的工作原理基于磁流变液的回转式阻尼器通常工作在剪切模式，磁流变液作为传动介质充满在阻尼圆盘与壳体的间隙中，阻尼盘利用间隙中的磁流变液剪切应力产生负载力矩，且负载力矩随外加磁场的变化548 宁波大学学报（理工版） 2007而迅速变化. 输入轴的转动速度为ω，在没有磁场作用的情况下，磁流变液处于液体状态，所能传递的力矩仅为粘性阻力矩，阻尼转矩很低. 当有足够强度的外加磁场作用时，磁流变液中的磁性粒子马上被磁化，并沿着磁力线方向成链状分布. 这种链状结构使得磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特性. 由于粘塑性流体的屈服应力是磁场强度的函数，因此可通过控制线圈中的电流强度来调节磁场强度，就可以调节流体的剪切应力，从而调节阻尼制动器定子对转子的负载力矩，阻尼器具体工作原理如图1所示.图1 阻尼器工作原理1.2 阻尼器的负载力矩计算模型回转式磁流变阻尼器在剪切工作模式下，假设磁流变液在定子与转子之间的工作区域视为1个圆盘，磁流变液为切向流动模型，如图2所示.图2 阻尼盘间的磁流变流动负载力矩模型为便于分析磁流变液传递的扭矩，特作以下假设：(1)磁流变液不可压缩；(2)磁流变液的流动是稳态的；(3)在轴向和径向没有流动；(4)磁流变液的流动只是半径的函数；(5)不计磁流变液本身的重力影响；(6)磁场强度在工作间隙上是线性分布；(7)磁流变液的压力沿厚度方向不变.那么，对于阻尼盘与壳体之间任意点液体层的半径处的微元上的力矩，则：r 2πd r r d d 2πd T T r F rT r r ==， (1) 其中，为盘型磁流变液所产生的微剪切力.d T F 作为智能材料的磁流变液，可随外部磁场在“固－液”两相间转换的现象用宾汉(Bingham)模型来描述，其关系方程为[2]：B B T T T T ηγ=+>i，， (2) 0B T T γ=<i，， (3)其中，B T 为动态屈服应力，它是磁感应强度的函数；B η为磁流变液零磁场作用时的粘度；γi为剪切率.宾汉模型假定在零磁场时液体的屈服应力为0，并呈牛顿流体的性质. 当在一定磁场力作用下时，屈服应力随磁场的增加而增大，剪切应力 T >B T 时，磁流变液呈牛顿流体的性质；剪切应力T < B T 时，磁流变液则具有粘弹性.阻尼盘端面剪切流动：设磁流变液在转盘与壳体之间沿水平方向处于线性分布，如图3所示，则剪切率公式为：//v h r h γω==i， (4)其中，为流层的半径；h 为阻尼盘与壳体之间的轴线间隙；r ω为转轴角速度；v 为流层半径处的线速度.r图3 剪切率原理将(2)式和(4)式代入(1)式，并积分，得到单面负载力矩为：2211222πd (/)2πd R R B R R T T r r T r h r r ηω==+∫∫=2./34412π()/2334412122π()/3π()/B T R R R R h ηω−+− (5) 式(5)中代表磁致屈服应力产生的力矩，属可调的库仑力矩；33122π()B T R R −R R h ηω−第4期 苏会强，等：基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析 549代表流体粘性传递的不可调的粘滞力矩. 因阻尼盘2面的参数完全相同，则总的力矩T 为： Σ/.h 334412124π()/3π()B T T R R R R ηωΣ=−+− (6) 1.3 阻尼器的结构设计图4为基于剪切模式的回转式阻尼器样机组装图，其采用外壳体固定线圈，线圈用于产生外加励磁磁场，这样控制线圈的励磁电流就可以输出可控的负载转矩.图4 阻尼器组装图2 阻尼器磁路有限元仿真及分析回转式磁流变阻尼器的磁路为：阻尼盘—右侧间隙—右壳体—左壳体—左侧间隙—阻尼盘，如图5所示. 壳体与阻尼盘的材料均选用相对磁导率较高的DT6电工纯铁，其相对磁导率1600. 间隙处的磁流变液型号为SG-MRF2035，其磁导率所使用材料的B-H 数据曲线(磁感应强度－磁场强度曲线)由宁波杉工提供.>图5 阻尼器磁路简图若阻尼器要获得较高的阻尼性能，则应使间隙处的磁通密度较大. 考虑到磁流变液的相对磁导率远小于壳体和阻尼盘的相对磁导率，因此取较小的间隙将有利于产生较大的磁通密度，通常h = 0.25～2 mm. 为便于加工，本文选择 1.5 mm. 并在此基础之上，应用电磁场仿真分析工具ANSYS/ Emag ，建立磁流变阻尼器的实体模型和有限元模型.h =由于磁路为轴对称式结构，因此建立相关有限元模型时，采用二维轴对称模型(2D-Axisymmetric Model). 由于模型为规则的长方形，所以选取了二次四边形等参单元(PLANE53)，该单元求解精度高、边界适应性强. 模型分别由上下壳体、激励线圈、转轴、阻尼盘、保护圈、隔磁环、简化的轴承环以及磁流变液组成.阻尼器的工作效率直接取决于磁流变液的磁感应剪切应力. 而磁感应剪切应力决定于磁流变液工作时的磁感应强度. 为了研究电流强度与磁感应强度的关系，分别在0.2A 、0.4A 、0.6A 、0.8A 、1.0A 、1.2A 、1.4A 、1.6A 、1.8A 和2.0A 等10种电流情况进行仿真.本文不考虑漏磁，只加通量平行条件，而励磁线圈以电流源的形式加载. ANSYS 软件对电磁场分析求解出节点的矢量磁势值，然后经后处理得到通量线、磁通量密度和磁场分布等. 由于篇幅所限，本文只列出了励磁电流为2.0A 时仿真得到的磁力线分布和磁通密度分布.图6 励磁电流2.0 A 时的磁力线分布550 宁波大学学报（理工版） 2007表1 1.5 mm 间隙时磁场随激励电流变化的情况电流/A磁感引强度/T0.2 0.048 0.4 0.093 0.6 0.148 0.8 0.196 1.0 0.242 1.2 0.290 1.4 0.320 1.6 0.360 1.8 0.440 2.0 0.489由图6可看出，由于在轴承处另有隔磁环，起到了很好的隔磁作用. 励磁线圈产生的磁力线基本沿着设计的磁路分布，磁力线呈非均匀分布，离线圈越近，磁力线越密，并且随着励磁电流的增大. 说明磁通越大，磁力线几乎全部分布在有效的模型内，因此磁路结构设计和材料选择符合要求.由图7可看到在实体模型的边界，特别位于保护圈和阻尼盘拐角处的地方，磁感应强度变化比较大，但此处的作用面积很小，对阻尼器的转矩不会造成太大的影响. 除此情况外，阻尼器的整个磁路的磁动势主要降落在间隙处，达到MRF 阻尼器磁路设计的目的. 这是因为阻尼器结构材料的磁导率远大于磁流变液的磁导率，从而使得在很小的间隙中就可以产生很大的磁压降，二者的磁导率比值越大，则间隙中的磁压降越大；产生的磁压降越大，产生的磁场越强，磁流变效应也相对越强.图7励磁电流2.0 A 时的磁通密度分布综上所述，在阻尼器工作间隙一定的情况下，通过改变励磁电流密度，可以得到在不同励磁电流情况下的工作间隙中的磁感应强度. 工作间隙磁感应强度采取对有限元分析关键节点数据求平均值的方法得到，具体见表1.利用MATLAB 绘图工具对上述有限元分析数据进行二次曲线拟合，可得工作间隙在1.5 mm 时，磁感应强度与励磁电流的函数公式为：B I20.01010.2160.00912BI I =++， (7)由此函数公式得到的关系曲线如图8所示.图8 励磁电流与磁感应强度关系曲线在得到阻尼间隙磁流变液中磁感应强度分布函数后，就可建立回转式阻尼器的负载转矩数学模型. 采用SG-MRF2035型磁流变液在室温20℃时，其本构关系为[5]：0.825E -140.189 868 0.379 736 0.569 604 0.759 473 0.949 341 1.139 1.329 1.519 1.70964.27(1exp( 1.63)).B B τ=−− (8)把(7)式和(8)式代入(6)式，可得到阻尼器总的负载转矩公式为：334412124π()/3π()/B T T R R R R h ηωΣ=−+−=33124π64.27(1exp( 1.63))()/3B R R ×−−−+ 4412π()/4π64.27(1R R h ηω−=×−2exp( 1.63(0.01010.2160.00912)))I I −++⋅/33441212()/3π()R R R R ηω−+−h . (9)3 结论(1) 要提高阻尼器的阻尼力性能，主要是提高磁流变液工作区域的磁场强度. 因此设计磁流变第4期苏会强，等：基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析 551阻尼器的关键是正确建立所需的阻尼力矩与结构参数和磁场参数的关系.(2) 为尽可能使外加磁场对磁流变效应有最大的影响，必须确保磁力线垂直于阻尼间隙通道中磁流变液的流动方向，并确保磁力线集中在阻尼间隙通道中.(3) 阻尼盘和壳体应由高导磁材料制成，可产生较大的磁感应强度.(4) 通过ANSYS对阻尼器磁路的仿真研究可以减少试验次数，缩短原型研制周期，并节约开发成本. 参考文献：[1]王代华, 赖大坤. 缸体感应式磁流变阻尼器的集成相对位移自传感方法及系统: 中国, 200510057276.4[P].2005-9-15.[2]Lord Material Division. Designing with MR fluids[EB/OL]. [1999-12-06]. .[3]Ashour, Craig. Magnetorheological fluid, materials, cha-racterization and devices[J]. Int Mater Sys truct, 1996, 7:123-130．[4]唐兴伦. ANSYS工程应用教程—热与电磁教学篇[M].北京: 中国铁道出版社, 2003.[5]肖璐, 王凡. 用于薄壁件加工的磁流变夹具[J]. 新技术新工艺—机械加工工艺与装备, 2007(1):26-27.Design and FEM Analysis of MRF Based Rotary DamperSU Hui-qiang, ZHENG Di( Faculty of Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )Abstract: The smart material, magneto-rheological fluids (MRF) are characterized in being able to interchange solid and liquid states under variant magnetic field. Based on these characteristics, a new kind of rotary damper is designed, and a load torque model for the damper is established. Simulation for the magnetic field distribution is carried out using ANSYS 9.0 software, and some technical points in the design of the damper are made. This work is expected to serve as a theoretical basis for the structural design and manufacturing of MRF based rotary dampers.Key words: MRF based rotary damper; magnetic field analysis; finite element analysisCLC number: TH138 Document code: A（责任编辑 章践立）。