基于ANSYS的孔式磁流变减震器的磁路设计及优化

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2013年第1O期 液压与气动 15DOI：10．1 1832／j．issn．1000—4858．2013．10．004基于 ANSYS的孔式磁流变减震器的磁路设计及优化祝世兴，刘斌勇Design and Optimization of Magnetic Circuit for Magneto—rheologicalDamper of Hole—type Based on ANSYSZHU Shi-xing，LIU Bin—yong(中国民航大学 航空工程学院 ，天津 300300)摘 要：设计了一种孔式磁流变减震器的磁路结构，运用ANSYS软件的参数化编程语言APDL建立磁路的有限元模型，对其进行仿真并优化。通过优化分析，得出在某一材料、某一参数结构下，阻尼通道区间的磁感应强度达到最大，比假定参数下的磁感应强度明显增大，提高了39．4％。结构更加合理，达到了优化的目的。

关键词：磁流变减震器；ANSYS；磁路优化；磁感应强度中图分类号：TH137；V226．2 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0015-04引言磁流变液是目前发展迅速的一种新型智能材料，其特性随磁场强度的改变而变化，无外加磁场时，液体与牛顿流体的特性相似。而当有外加磁场作用时，磁流变液的粘度和屈服剪切应力会随着磁场强度的增加而变大，此时磁流变液中的磁性颗粒会沿着磁场方向形成链条状，类似固态状态，表现出固体固有的屈服现象，具有一定的阻尼力；当磁场消失后，磁流变液会快速恢复到流体状态 I’2 J。基于磁流变液的流变特性，以其为工作介质而设计出的磁流变减震器具有温度适应性强、响应速度快、能耗低、阻尼力大并且连续可调等特点，并已经在汽车、土木及机械领域得到广泛的研究及相关应用 一 。

本研究利用ANSYS有限元软件 J，对自行设计的孔式磁流变减震器中磁场分布进行有限元仿真分析，分析了磁路结构中各零件的相对导磁率和几何尺寸对阻尼通道磁场分布的影响，通过分析得出一系列数据并研究，证实了磁路设计的准确性和有效性，为磁流变减震器的性能优化提供了理论依据。

1 阻尼力数学模型及磁路结构设计本设计是线圈内置式的孔式磁流变减震器，它的工作模式为压差流动模式和剪切模式相结合的混合模式，其结构原理如图 1所示，磁路结构如图2所示。

线圈活塞惰性气体蓄能器磁流变液孔式阻尼通道磁流变液图 1 磁流变减震器的结构原理一 缸体导磁环饯 圈活塞杆内导磁环道图2 磁流变减震器的磁路结构其工作原理为励磁线圈电流产生磁场，形成的磁力线通过阻尼通道，从而磁流变液受到磁场作用，产生阻尼力。对于图 1形式的磁流变减震器，其单个孔的收稿 日：朗：2013-04—17基金项目：国家 自然科学基金项 目(61172013)作者简介：祝世兴(1958一)，男，黑龙江青冈人 ，教授，主要研究方向为飞机起落架震动控制、飞机维修理论与技术。

2013年第10期 液压与气动 17表1 初始参数设定 mm1 ? C 佃 咂 HC GAP 卯 馏 WC10 9 1 5 3 1 3 21 8 37)I'， ， ， l ’? ／／
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WC图5 磁流变减震器的结构示意图6050—401OO图 6 磁流变 液的 B—f曲线 图度，但当导磁率达到某一值时，磁感强度不再增大，从而达到磁饱和，因而对所设计的磁路结构，只需对内、外导磁环进行仿真计算，使其相对导磁率到达某一数值时，间隙间的磁感应强度达到最大值。

假定内导磁环的相对导磁率为 2000，改变外导磁环导磁率，建立其与阻尼通道间平均磁感应强度 的曲线关系，如图7所示，由图 7可以看出，当外导磁环的相对导磁率达到 3000时， 趋近最大，所以外导磁环的相对导磁率为3000。依照同样方法，改变内导磁环相对导磁率，经过仿真分析，建立其与磁感应强度的曲线关系，如图8所示，可以看出，当内导磁环的相对导磁率达到 2900时，8达到最值。因而确定内、外导磁环的相对导磁率为 3000和2900。

o．40-35O-30．250．2O．15O．1O．O50图7 外导磁环相对导磁率(肛)与B曲线图3．2 优化磁路结构尺寸对于本文磁路结构尺寸优化过程中，由于受外部0．40．35O-30．250．20．150．1O．O5O图 8 内导磁环相对导磁率与曰曲线图某些因素的限制，需研究的几何尺寸为结构图中 轴方向： (TC)、WC、掰 、TG；Y轴方向：TE、HC、TB。

线圈匝数 N=160，在线圈型号确定后，HC为 3mm或4 mm。实验中为防止磁流变液渗入线圈中，所以整个结构须采取密封处理，参考相关 O形圈规格，≥3 mm。从 y轴几寸参数开始分析，TB与 TE相互影响，当肌 =3 mm时，不同 佃 值下阻尼通道中平均磁感应强度 日如图 9所示；HC=4 mm，不同 值下阻尼通道中平均磁感应强度 如图 10所示。

o．4o-35O-30。．2
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5O．150．1O．05O n l雾 羼
3 4 5 6 7 8 9，／mm图9 HC为 3 mm时 TB与阻尼通道曰关系图0．40_350_30．25基0．2O．15O．1O．O50 ¨ 露 图3 4 5 6 7 8，／ram图 10 HC为 4 lun时 TB与阻尼通道 B关 系图综合分析，参阅线圈型号，HC为 4 mm，TB为 6mm，阻尼通道间的磁感应强度 达到较大值，继而 阳为7 mm，考虑到密封圈规格， 为4 mm。

确定结构中 】，轴方向尺寸后，对 轴方向尺寸(TC)、WC、TH、TG进行有限元分析，其中，WC=2TH+TG，ACO忆：WC XHC。整理后，得出各尺寸与阻尼通道中平均磁感应强度B关系图如图ll一图13所示。表2为优化前后磁路结构中各个参数对磁场分布的影响。

综上，在 ( )为16 inln，WC为40 lnm，TH为9 Inln，通道间平均磁感应强度 B达到最大值，为0．4807565T，l8 液压与气动 2013年第 10期0．50．450．40_35，
0．30．250．20．15O．10．0505 6 7 8 9 1011 121314151617l8192O，／mm图 11 TA(TC)与阻尼通道 曰关系图0．50．450．40-350I3基o．250．20．150．10．05035 36 37 38 39 40 4l 42 43 44 45，／mm图12 WC与阻尼通道 口关系图7 8 9 1O l1 12，／ram图 13 TH 与阻尼通道 曰关系图表 2 优化前后各参数与磁场强度的关系阻 尼 通 道TA 1C WC TH 间 平 均 磁感应强度优化 0
．3449 5T 0．361416T 0．435757T 0．4 878T O．3449545T日U优化 0
．361416T O．435757T 0．464878T O．砸盯 65T 0． 7565T 后而优化前阻尼通道间平均磁感应强度为 0．3449545T，提高了39．4％，如图 14、图15所示。优化后的结果非常接近理想状态下的磁感应强度0．5 T。

4 结论通过设计的孔式磁流变减震器磁路结构及其力学模型分析，建立了阻尼力与孔间磁感应强度的关系，并运用ANSYS对结构进行了仿真，研究表明：WI¨ ■■ ¨ { 1_● { ' t ■图14 初始结构磁感应强度分布图图15 优化后磁感应强度分布图(1)运用 APDL语言建立磁路有限元模型更加简捷、高效；优化后阻尼通道中磁感应强度有了明显的变化，提高了39．4％。

(2)阻尼通道中的磁力线分布均匀，其方向与磁流变液流动的方向垂直，证实了磁感应强度影响阻尼力的大小，符合减震器设计原理，也说明运用 ANSYS软件对磁路进行仿真是可靠的。

(3)结构材料相对导磁率的增大可以使磁感应强度增大，但当磁路趋近饱和时，阻尼通道间磁场将不再变化。

(4)磁路结构中各零件的几何尺寸会影响阻尼通道间的磁场分布，其变化规律不甚明显。通过 ANSYS仿真优化后，使得在相应条件约束下，某一参数下的磁路结构其通道间的磁感应强度达到最大。

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