磁流变减振器磁路结构的参数化优化设计

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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 。磁流变减振器的工作介质是磁流变液，其特性是屈服强度随着外加电磁场强度的增加而增加 ，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-。

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 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l 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-组最优的值。由于磁流变减振器的磁路结构基本相同，因其使用诚、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-进行优化，重复的工作量很大。文献睬 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。文献睬 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 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的参数化编程语言来稿日期：2012-05-14基金项目：国家自然科学基金项 目(61172013)作者简介：祝世兴，(1958-)，男，黑龙江人，教授，硕士生导师，主要研究方向：磁流变应用技术研究No.3Mal".2013 机 械 设计 与 制造 43图5 ANSYS优化设计流程Fig.5 ANSYS Optimization Design Process4.2磁路优化模型所要优化的磁流变减振器的磁路结构示意图，如图6所示。

在优化设计中考虑到整体尺寸不能过大，选阮塞半径 RS为定值，而考虑到工作间隙 G不能过小，-般为(O.5～2)mm，也将其设为定值 ，具体参数初始参数设定，如表 l所示。其中活塞杆半径RG、缸简壁厚 、线圈宽度XQ、线圈高度 以及导磁盘高度定为设计变量。目标函数为工作间隙处节点的最大磁感应强度STRB，约束条件为缸筒、导磁盘和导磁套中的最大磁感应强度STRA。具体的参数设定，如表2所示。

f . ZIIIIINNI////Z /'////A ciM吱 >< X.OR5图6磁流变减振器的结构示意图Fig.6 The Schematic Drawing of the MR Damper表 1初始参数设定Tab.1 Initial Parameters SettingsRG RS L H XQ MF DQ M G DY表2优化参数设置Tab.2 Optimization Parameters Setings4.3磁路优化步骤用 APDL语言编写-个文件，此文件中包含完整的分析过程，如前处理、求解和后处理。在ANSYS中运行此文件，可获得磁流变减振器各处的磁感应强度等数据。在文件中首先要定义材料属性，包括活塞杆、导磁盘、导磁套、缸体和磁流变液的导磁率。然后建立模型，划分网格，加载边界条件和电流密度，对所建模型进行求解并提取相关位置的磁感应强度。在定义目标函数时，由于ANSYS中是以最携目标函数为其优化方向，若要使目标函数取得最大值，需要变更-下目标函数的形式，，常见的就是将目标函数乘以-1。相关位置磁感应强度的选择及目标函数的定义如下程序段：1.ETABLE，J，B，SUM 6.NSORT，B，SUM，1，0，，02.PRNSOL，B，COMP 7.GET，STRB，SORT，，MAX3.NSORT，B，SUM，1，0，，0 8.STRB-1STRB4. GET，STRA，SORT，，MAX 9.B-1STRB5.NSEL，S，LOC，X，RS，RSG优化程序的最后是输入目标函数、约束条件及其变化范围和精度、设计变量及其变化范围和精度，然后设定优化方法，这里采用的是零介方法。根据 ANSYS软件确认收敛的条件，只要后-步的优化结果与前-步优化结果的差小于优化时设定的精度就可以认为收敛。

4.4磁路优化结果及其分析经过 11次迭代，在约束条件下优化出了最优的结果 ，优化后设计变量的尺寸参数，如表 3所示。

表 3优化后的设计变量尺寸Tab.3 The Optimized Design Variables Size目标函数随迭代次数的变化，如图7所示。由图7可以看到间隙处节点的最大磁感应 强度 由原来 的 0.38438T增 加到0.56512 T，提高了47%。工作间隙处的平均磁感应强度也会有较大的提高，这样与优化前相比，同样的电流值得到的磁感应强度却不同。由此可以通过小电流就可以得到优化前大电流才能得到的磁感应强度，大大降低了能量的消耗，提高了磁流变减振器的灵敏度与可控性能。磁路结构体积的迭代曲线，如图8所示。从而来了解整体结构的变化。由图8可以看出，优化前后磁路结构的体积略有下降，也就是说优化后磁路的体积更加紧凑，减小了不必要的材料浪费，使磁场分布更集中，提高了能量利用率。

.68.64·6.56。 .52.48>.44.4·36-32.28/ l/ ./ 、 / 、 、 / ，2 4 6 8 10Set Number图7间隙处节点的最大磁感应强度B的迭代曲线Fig.7 The Iterative Curve of the Largest B of the Nodes in the Gap机械设计与制造No.3Mar.201 3(×1旷3)J I/，。 t l ， l / / 、 / 2 4 6 8 10Set Number图8磁路结构体积的迭代曲线Fig.8 The herative Curve of the Volume of theMagnetic Induction Magnetic Circuit Structure.68.64·6.56.52.48> 44.4.36-32.28-， -rffJl。 ， - -- - - .282 1.5 2 .766 2.008 2.25( 1.403 645 .887 ： Z.129 2.371图9 L变化时 的变化规律Fig.9 The Change Rule of B when L Changes.68.64.6.56.52.48> .44.436-32.28 、 l， J ， /(×1 )7081.263 1.361 1.459 1.557 1.655C图 10 RG变化时B的变化规律Fig.10 Th e Change Rule of B when RG Changes.68.64.65652.48> .44.436.3228、、 - - 、 -- J、 /701 .781 .861 941 1.021(10。)1.102.741 .821 .901 .981 1.061肼图 11 M变化时 的变化规律Fig.1 1 The Change Rule of B when M Changes] / J 八/ -- V3.632 3.884 4.136 4.388 4.640(× ).770图 12 H变化时四的变化规律Fig.12 Th e Change Rule of B When H Changes间隙处的最大磁感应强度 B随着导磁盘长度 ，如图9～图12所示。活塞杆半径RG，缸筒厚度 和线圈高度 日的变换而变化的曲线。优化前磁路中磁感应强度的分布云图，如图 13、图 14所示。由图 13可以看到间隙处的平均磁感应强度 ： - I0.15388T，优化之后磁路中的磁感应强度分布有了明显的改善，问隙处的平均磁感应强度 日 柏～0.33216T∩见，经过优化，间隙处的磁感应强度有了较大的提高。

图 1 3优化前的磁感应强度分布图Fig.13 The Magnetic Induction Strength Distribution Before Optimization图14优化后的磁感应强度分布图Fig.14 The Magnetic Induction Strength Distribution After Optimization5结论针对磁流变减振器的磁路结构设计，介绍了ANSYS的参数化优化设计语言APDL及其优化过程，并通过分析磁流变减振器力学模型，得出影响可控力的关键因素是工作间隙处的磁感应强度。通过运用APDL语言编写优化程序，将间隙处节点的最大磁感应强度作为优化目标，通过优化使其在约束条件下达到了最大值，结果也使得工作间隙处的平均磁感应强度也得到了较大的提高。研究结果表明：(1)在保证电流、线圈数、活塞杆和间隙等尺寸不变的前提下 ，通过优化，间隙处的平均磁感应强度增加了 1.16斛 ；号佛 mNo.3Mar.20l3 机械 设 计 与制造 45倍 ，大大提高了磁流变减振器的工作性能。(2)通过 APDL语言编写优化程序来优化磁路结构使优化过程变得更加高效和简便，大大节省了磁路优化设计的工作量，是-种有效的优化设计方法。

(3)在活塞直径和间隙尺寸已定的情况下，活塞杆半径、线圈高度、绕线槽深度、活塞的有效工作长度和缸筒厚度的尺寸对间隙处的磁感应强度都有较大的影响，而且它们之间相互影响，与间隙处的磁感应强度并不是呈线性相关。与先前出现的磁路优化设计方法相比，提出的优化设计方法大大节省了优化时间与工作量，实现了优化的自动化，并且可以很容易的得到对磁路影响较大的几个参数的变化规律；此外还考虑到导磁部分的磁饱和度，并以此为约束目标进行了优化。因此，较以往的优化设计提出的优化方法更为简便，考虑更为全面，是-种有效的优化设计方法。