差动自感式磁流变阻尼器力学性能分析

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M echanical Performance Analysis for a New Type of DiferentialSelf-induced M agnetorheological DamperHU Guoliang -。RU Yi ，WANG Hong。

(1.School of Mechanical&Eleetronieal Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China；2.The State Key Laboratory of Fluid PowerTransmission and Control，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 3 10027，China)Abstract：To solve the problems of large space for installation，high cost of maintenance and low system reliability caused byseparation of magnetorhe0l0gical damper and sensor which used in the semi·active control system， a new type of differential self-in-duced magnetorherological damper(DSMRD)integrated the controllable damper force and the relative displacement sensing was de-signed，the working principle and the mechanical performance of DSMRD were also expounded. Maxwell software was used to analyzethe magnetic field of DSMRD，and the working data of magnetic field were obtained.A design module that could be used to fix the de-sign parameters conveniently was built using MATLAB tools. A simulation system was established to evaluate the mechanical perform-ance of damping force.The relevant results show that the magnetic field which is used to magnetize MRF can be provided by DSMRD，mechanical properties and damping force parameters of DSMRD can be obtained efectively and reflected accurately by design moduleand simulation system。

Keywords：Diferential self-induced magnetorheological damper；Finite element analysis；Mechanical performance磁流变阻尼器 (MRD)作为半主动控制系统的重要组成部分，被广泛应用于建筑及机车车辆减振抗震领域。其动态连续减振机制为：依靠灌注于阻尼器内部的磁流变液随输入电流的变化产生不同剪切屈服应力，使阻尼器产生可控阻尼力” 。随着对 MRD研究的深入，其大阻尼力、高可调范围、动态连续可调的优势被进-步挖掘。但在实际半主动控制系统应用中，MRD往往需要与位移传感器结合才能充分发挥其优势作用，因而需要在结构设计时考虑配套位移收稿日期基金项 目作者简介：传感器的安装与维护，这样不但提高了安装空间和维护成本 ，也在-定程度上限制了磁流变阻尼器的工业应用 。

基于此，美国 MTS公司于 1999年运用磁致伸缩原理成功开发出-种具备速度 自传感功能的 MR阻尼器 。重庆大学的王代华提出-种磁电式相对位移自传感的原理与方法，为磁流变阻尼器集成传感器提供了-种新的思路 。作者基于差动自感应原理，提出了-种磁流变阻尼器位移自传感方法，同时设计了201l-04-0l国家自然科学基金资助项 目 (51165005)；浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金资助项 目(GZKF-201207)；江西侍育厅科学技术研究项 目 (GJJ13341)胡国良 (1973-)，男，博士，副教授，主要从事流体传动及控制技术、智能材料理论及其应用等方面的研究与教学工作。E-mail：glhu2006###163.com。

第 9期 胡国良 等：差动 自感式磁流变阻尼器力学性能分析 ·7·- 种集阻尼力可控及相对位移传感于-体的新型差动自感式磁流变阻尼器 (Diferential Self-induced Magne-torheologieal Damper，DSMRD)，并从理论和仿真两方面具体分析了DSMRD磁场分布、力学特性及阻尼力动态特性。

1 DSMRD工作原理及阻尼力产生原理所设计的 DSMRD如图 1所示，主要 由组合式活塞 (由元件 3、4、5组成)、不导磁绕线钢筒 6、高导磁外套筒8、活塞杆 1、浮动活塞 7、左端盖2和右端盖9组成。其中组合活塞头3将阻尼器内部分割成两个压力区 I和 Ⅱ，内部充满磁流变液。浮动活塞 7与右端盖组成腔体Ⅲ，内部填充高压气体。当活塞头3内的励磁线圈通入直流电流时，在活塞头两端的导磁部分产生磁场，穿透绕线钢筒6后沿外套筒8进入活塞头压线板5，最后形成闭合磁路。此时磁路缝隙内的磁流变液被磁化，当活塞运动时产生高强度剪切屈服应力，从而形成-定的阻尼力。通过控制输入电流的大小 ，可控制输出阻尼力。磁路经由活塞头-端穿过绕线钢筒后由导磁外套筒回到活塞头另-端。由于磁场穿过绕有感应线圈的钢筒时会在线圈内产生感应电动势，通过对感应电动势信号进行分析即可得到活塞的相对位移。

主磁通 漏磁通1-活塞杆 2-左端盖 3-活塞头 4-线圈套筒 5-活塞头压线板6-绕线钢筒 7-浮动活塞 8-外套筒 9-右端盖图 1 DSMRD结构简图由于绕线钢筒为不导磁材料，因而会在主磁通两侧出现-定量的漏磁通。处于磁路中的磁流变液受到磁场磁化作用后固化 ，随着活塞头的轴向运动，在阻尼间隙中经过磁化的磁流变液在活塞头外壁与绕线钢筒内壁之间产生高强度剪切屈服应力，从而使活塞杆达到对外输出阻尼力的目的。

采用 Bingham本构关系理论构建阻尼器力学模型” ，可知剪切阀式磁流变阻尼力 F 由剪切阻尼力 F 与阀式阻尼力 F 合成，即：F F F (1)其中：剪切式磁流变阻尼力F 可表示为：F "rDlvrDlrysgn(v) (2)阀式磁流变阻尼力 F 可表示为：F [ sg )]s (3)式中：卵为磁流变液黏度，Z为磁场有效长度，s为有效面积，q为磁流变液体积流量，D为活塞头直径，d为活塞杆直径，h为间隙宽度， 为活塞头运动速度，r 为磁流变液剪切屈服强度。

由于阻尼器右侧设有浮动活塞和右端盖组成的压缩气室Ⅲ，为保证阻尼器活塞能够轴向运动，腔 I、Ⅱ和气室Ⅲ在活塞拉伸、压缩阶段压力分布情况并不相同。其中压缩阶段 I、Ⅱ、Ⅲ内压力为P I

由于 I腔内体积增大值与流入磁流变液体积相等，所以压缩阶段的体积流量 g 可以表示为：q 盯(D -d )/4 (4)拉伸阶段 I、Ⅱ、Ⅲ内压力为P I>PⅡPⅢ，所以磁流变液由 I腔向Ⅱ腔流出，流入 Ⅱ腔磁流变液体积为 I腔减少体积，拉伸阶段的体积流量 q，可以表示为：q， 耵(D -d )/4 (5)故：q1q2I腔内有效面积为：Js： (6)由于 DSMRD拉伸、压缩阶段体积流量 q相同。

把式 (5)和式 (6)代人到式 (3)可得 ：F 十 ( d )sgn㈩ (7)DSMRD压缩阶段与拉伸阶段气室Ⅲ内压力分布虽然不同，但其产生的流量相同～所得剪切阻尼力与阀式阻尼力合成后，得到剪切阀式阻尼力：F [ [ (D -d2)]TySgn( ) (8)2 DSMRD磁场有限元建模与仿真2.1 Maxwel有限元模型为了准确预估 DSMRD实际工作性能，利用电磁场有限元分析软件 Maxwel建立了DSMRD二维平面磁场有限元分析模型。首先根据磁流变阻尼器初定的各部分尺寸及材料进行模型构建，考虑到磁流变阻尼器截面为轴对称图形，为了降低计算量，在不影响仿真结果的前提下蓉面的1/2作为研究对象，如图2(a)所示∮着对模型进行网格划分，其中活塞头、活塞头压线板、外套筒部分采用最大长度小于0.04 mm的网格进行划分，如图2(b)所示。

第 9期 胡国良 等：差动自感式磁流变阻尼器力学性能分析 ·9·块的设计意义在于：如果设计要求值小于且接近该试算值，则说明尺寸结构大体符合要求，可进行下-步动态仿真；若设计要求值与该试算值相差过大，则需要调整结构参数，重新进行试算。

3.2 Simulink动态仿真及数据分析为了获取 DSMRD力学性能的动态数据 ，建立了用于分析 DSMRD阻尼力 的 Simulink动态仿真系统，系统框架如图8所示。

图 8 Simulink该仿真系统由6个子拈组成，每个子拈设定不同的输入电流值，相当于 6个 DSMRD在不同电流条件下同时工作。每个拈输入同-结构参数，使阻尼器结构参数保持-致，使建立的数学模型结构相同；再通过对磁流变液进行数学建模，建立磁流变液仿真拈模拟阻尼器中的磁流变液材料，阻尼器结构与磁流变液材料仿真拈共同构成 Simulink仿真系统核心。系统外部输入包括结构参数输入和运动激励输入；结构参数输入用来限定阻尼器结构；运动激励输入使阻尼器在运动激励条件下产生与激励信号对应的动态阻尼力。该系统能够模拟 DSMRD阻尼力 F加载不同波形、幅值、频率条件下的变化情况，通过对不同位置 S、速度 与阻尼力 F的比较得到数据点集 ，进而得到 DSMRD的力学特性。在 Simulink系统结构参数中输入预设结构参数。幅值 3 cm、频率 1 rad/s的正弦波激励作为阻尼振动激励，得到图9所示阻尼力速度曲线和图 10所示阻尼力位移曲线。

从图9可知 ：DsMRD阻尼力在出现运动趋势时就迅速增大到工作阻尼状态，响应可视为瞬时响应，当到达工作阻尼状态后阻尼力随速度增加呈线性低速增长，直到行程结束。从6个输入不同电流值拈的横向对比可以看出，，0时，没有阻尼力瞬时增大现象；，0.5～1.5 A时，阻尼力输出值增大明显；，2～2.5 A时，增大幅度降低明显。最大阻尼力出现在 ，2.5 A、 3 cm/s时，约为4 800 N；最小阻尼力出现在 ，0、 0时，为0。

Z圈!--IJ：0.5A 54--1：21.A5A3-，l A 6-f2.5 A0 l 2 3 4 5 6位移/cm图9 阻尼力与速 图10 阻尼力与位度关系曲线 移关系曲线由图 10可知：DSMRD活塞起始于上极限位置，受到外部运动激励后，阻尼力瞬时增大到工作阻尼状态，在 s<3 cm时，阻尼力缓慢增大，s3 cm时达最大值，最大阻尼力约为4 800 N，s>3 cm时阻尼力缓慢降低至初始阻尼力。当 s6 cm时 ，阻尼力瞬时反向至负向并达到工作阻尼状态。从6个输入不同电流值拈的横 向比较可以看出，，0时，输 出阻尼力较低；，0.5～1.5 A时，阻尼力输出值增大明显；，2～2.5 A时，增大幅度明显降低。最大阻尼力出现在 ，2.5 A、s3 cm时，约为4 800 N。

4 结论设计了-种新型差动自感式磁流变阻尼器，基于Bingham本构模型原理 ，分析了 DSMRD的力学性能。

通过Maxwel电磁场仿真软件对所设计的阻尼器进行了静态磁场仿真分析、MATLAB静态阻尼力试算、(下转第 13页)