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1、精品论文双通道磁流变阻尼器及可控磁场的通道选择效应研究1张红辉，童静，廖昌荣 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆（400044） E-mail: 摘要：基于磁流变效应的可控阻尼磁流变器件，以及由此构成的半主动振动控制系统近年来得到了学术界的广泛关注，而可控阻尼磁流变器件则是通向工程化应用的关键环节之一。 基于流动、剪切和挤压三种基本工作模式，研究人员提出了多种磁流变阻尼器的结构方案，并取得了重要的研究成果。本文分析了这些结构的单一通道特性，以及由此而可能产生的通 道阻塞问题，并提出新型双通道磁流变阻尼器结构方案，完整阐述其设计理论与方法，实现 了其流通面积与介质属性的双重可控特征，并
2、分析了可控磁场对双通道磁流变阻尼器的通道选择效应。关键词：磁流变阻尼器；双通道；偏置磁场；通道选择 中图分类号：TB3811.引 言作为一种智能可控流体材料，磁流变液主要由悬浮相、悬浮介质和添加剂三部分组成， 因其流变性能在外加磁场下可实现可控连续变化而在电子控制和机械领域具有广阔的应用 前景。目前，德尔福开发的基于磁流变液的 Magneride 半主动汽车悬架已经至少在凯迪拉克 SLS、奥迪 TT、R8 和法拉利 599GTB、梅塞德斯-奔驰 ML430 等众多豪华汽车上得到应用。 目前的汽车磁流变阻尼器都由磁流变液通过磁场可控的流动通道，产生压降来获得阻尼力， 一般只有单一流动通道，这种单
3、一通道的磁流变阻尼器的特点为：在活塞筒内仅有一个磁流 变体的流动通道，当外加激励电流较大时，流动通道内部的磁流变阻尼器在磁场作用下，粘 度增加而接近半固态，从而影响磁流变体在缸筒上、下腔之间的流动，造成通道阻塞，致使 阻尼器特性出现空程畸变12，目前一般采用双筒充气等方法加以克服3。本文提出双通道磁流变阻尼器的构造方案，通过增加常通通道来克服由于流动阻塞造成 的空程畸变，同时，这一结构方案将带来磁流变阻尼器设计的重大变化。通过研究适合于双 通道磁流变阻尼器的“零场设计”方法，使磁流变阻尼器结构设计仅依赖于磁流变体的牛顿流 体属性，而与流变学属性无关，使设计得以大幅简化；开展双通道磁流变阻尼器的
4、准静态建 模研究，建立磁流变体在阻尼器通道内的流动方程，为双通道磁流变阻尼器的阻尼力计算打 下理论基础；同时，集成永磁磁场与电磁磁场设计，利用磁场偏置原理调整磁流变体在阻尼 器内部双通道间的流量分配，从而达到阻尼力的动态调整。2.双通道磁流变阻尼器设计思想为了使磁流变阻尼器在大电流条件下避免通道阻塞而致空程畸变，优化阻尼器的流动特 性，本文提出的双通道磁流变阻尼器如图1所示。双通道磁流变阻尼器的活塞总成由活塞本 体、励磁元件、导磁套筒、隔磁套筒等共同组成，内通道在活塞内部，处于活塞本体和导磁 套筒之间，并且可以通过外加电流控制通道内的磁场强度；而外通道则位于活塞总成与缸筒 之间，活塞总成外壁用
5、一定厚度的非导磁材料进行磁屏蔽，形成隔磁套筒，从而使外通道不 受磁场的影响而成为常通通道。正是因为这一常通通道的存在，当活塞处于大激励电流状态 时，磁流变液仍然可以顺利通过，避免流动阻塞现象的发生；当没有激励电流，或者激励电1 本课题得到教育部博士点基金（20070611039）和国家自然科学基金（60674097）资助。- 6 -流较弱时，内、外通道一起构成磁流变液的流通通道45。 阻尼可以理解为由于介质流通截面面积的变化产生的液流阻力的对外表现，为了获取可控阻尼，我们可以通过获得可控的介质流通截面积或可控介质属性两种方法实现，传统的机电控制可控阻尼器就是通过电控阀门改变流通面积实现可控阻尼
6、的，而磁流变阻尼器则采用 具有可控表观粘度的磁流变液介质来实现可控阻尼，没有类似于电控阀门的复杂结构，动态 响应迅速而得到人们的重视。双通道磁流变阻尼器不仅可以利用磁流变液介质的可控阻尼特性，在不增加额外控制措施的条件下，仅通过简单的结构改进来同时利用流通面积改变来实现可控阻尼，具有磁流变 阻尼器的所有优点，又能克服磁流变阻尼器的流动阻塞问题。由于具有的双通道结构以及磁 流变体的场致固化效应，对磁场的控制可以实现磁流变液在两个通道间流动通道选择，并通 过通道选择效应改变有效的实际流动面积，从而通过流通面积与介质属性的双重可控特征， 实现双通道磁流变阻尼器的可控阻尼特性。3.双通道磁流变阻尼器设
7、计理论考虑同心圆环间的缝隙流动，当内外环均不动时的流量表达式如式(1)所示，内通道处 于活塞内部，壁面间没有相对运动，其流动则属于这种情况6。3q = dh p(1)12l当一环对另一环以一定速度轴向移动时，此时流量方程(2)为式(1)与轴向移动带来的流量的叠加，对于阻尼器的场合，由于活塞运动方向始终与流动方向相反，式(2)中只能取负 号，此时流量小于内外环均不动的场合。由于活塞与缸筒之间的相对运动，外通道的流道则 属于这种情况。3q = ( ph U h)d(2)12l 2对式(2)做适当简化后，可以认为压力差 p 1/ s ， s = dh3 为缝隙流动的通过面积。阻尼器流动通过流量决定于
8、阻尼器的振动幅度，因此，在相同运动条件下，控制流动通过面积可以改变阻尼器活塞两端的压力差，从而控制阻尼大小。此时将内通道间隙设计为hn，外通道间隙为hw，且hn2hw，并假设 dn dw = d ，则有：p 12ql1( 33 )(3)d hn + hw从式(3)可见，保持内外通道都畅通的情况下，由于 h3 8h3 ，此时 p 12ql / dh 3 ，nwnn类似于仅有内通道存在的情况，可以确定影响系数k1，来综合考虑外通道的实际存在和对式(2)作出简化时忽略的叠加负流量，且这两个因素对流量的贡献作用相反，因此 k1 1 ，使n1np 12k ql / dh3 ，这种状态称为零场状态；由于内
9、通道可以受磁场控制，当施加足够nww强的磁场使内通道的磁流变液固化时， h 0 ，此时 p 12ql / dh 3 ，类似于仅有外通道存在的情况，在实际情况下，磁流变液的固化是一个相对概念，不可能完全阻止磁流变液的通过，在实际设计时，可以根据设计磁感应强度和磁流变液的屈服应力确定系数k2，使w2w2得 p 12k ql / dh3 ，并使 0.5 k 1 ，这种状态称为饱和状态。根据以上分析，双通道磁流变阻尼器是一个在零场状态和饱和状态间的可控阻尼器件，它的设计可以简化为零场状态设计、饱和状态设计以及达到饱和状态的励磁结构设计，这些 设计内容都不考虑磁流变液本身复杂的本构模型，也无需进行流动建
10、模，大大简化磁流变阻 尼器的设计。这种双通道阻尼器不仅具有所有磁流变阻尼器共有的无运动器件、动态响应快 的特点，由于通过施加磁场可以改变等效流动面积，而且外通道作为一个常通通道的存在， 它可以确保在强磁场条件下磁流变液在阻尼器上下腔之间的流动，有效避免流动阻塞问题， 从而通过施加磁场实现流通面积与介质属性的双重可控特征。4.可控磁场的通道选择效应研究为了实现磁流变阻尼器的“失效安全性”，并使阻尼器工作在低电流条件下以节约能源， 在励磁结构设计上，在双通道磁流变阻尼器的励磁线圈位置叠加NdFeB永磁体，用于产生合 适的偏置磁场，其结构方案如图2所示，其中R1=23mm、R2=23.8mm、R3=
11、29.6mm、R4=30mm，可见 hn = 2hw 。加入永磁偏置磁场后，在无外加激励电流时，内通道将存在一个偏置磁场；当外加激励电流产生一个使偏置磁场增强的效果时，称为外加正向电流，反之则为反向电流。通过磁场 有限元分析方法实现励磁结构设计，零场状态通过施加反向电流获得，而饱和状态则由施加 正向电流获得。为了研究阻尼器内、外通道的流动状态以及可控磁场的通道选择效应，基于 Bingham 模型建立了双通道磁流变阻尼器的准静态流动模型7 。受磁场控制的内通道 Bingham流动如图3所示：rIIP刚性 C10流动Iu(r)0(r1)0 0(r2)R2r2PLr1R1活塞中心线 x22图3：内通
12、道Bingham流动区域示意图双通道磁流变阻尼器内外通道的流动通过压力梯度进行耦合，对内外通道分别建立流动 模型，并耦合求解后可得：343 4U A + 222(2R4 R3 R3 R4 )2dp = 3 (4)44dx 342 (r1 R1+ R2 r2) + 4C1 (r1 R1+ R2 r2) + 8C 3 41244+ (R4 R3) + 2(R 3 R R R 3 )2其中U为活塞运动速度，A为活塞面积，C1、C2的补充方程如下：22 1 dp2 4 dx (r1 R1+ R2 r2) + C ln r1 R2R r1 2 C2 = 0(5)2 dp (r 2 dx2 r1) + 2
13、r2 0 (r2 ) + r1 0 (r1 ) = 0式中 0 磁流变体的屈服应力。在确定上述结构参数后，我们对磁偏置双通道磁流变阻尼器在-3A3A的外加励磁电流进行了数值求解，研究其从零场状态到饱和状态通道内部流动和通道选择效应。其中内、外 通道的速度分布情况如图4、5所示。可见，由于外通道没有磁场作用，磁流变液的速度分布 为抛物线型，而内通道中由于磁感应强度随着反向电流的减小、正向电流的增长而增强，出 现的刚性流动区不断变宽。此时，由于磁流变效应，内通道的最高流速不断下降，而外通道 的流速则不断上升，从而使磁流变阻尼器的对外阻尼表现快速增大。图 4：外通道流速分布图 5：内通道流速分布在-
14、3A的反向电流条件下，双通道磁流变阻尼器处于零场状态，此时内外通道中流动均呈抛物线型，外峰值流速仅略大于1m/s，而此时内通道的峰值流速达约6m/s，大部分磁流变 液通过内通道；在3A的正向电流条件下，双通道磁流变阻尼器处于饱和状态，此时外通道 峰值流速超过8m/s，而内通道由于磁流变液的屈服效应造成刚性流动区，峰值流速不到1m/s，此时大部分磁流变液通过外通道。内、外通道间的磁流变液流量分配关系如图6所示，在零场状态，高达85%的磁流变液通过内通道，而在饱和状态，有高达80%的磁流变液通过外通 道，充分说明了可控磁场对通道的选择效应。5.结论图 6：可控磁场的通道选择效果本文提出了双通道磁流
15、变阻尼器结构方案，区别于基于流动、剪切和挤压等三种基本工作模式的单一流道磁流变阻尼器，双通道结构方案不仅具有磁流变阻尼器结构可靠、动态响 应快速的特点，同时可以解决由于磁流变液固化效应带来的通道阻塞问题；阐述了其设计思 想与理论，将磁流变阻尼器设计大大简化，可以在不考虑磁流变液本身复杂本构关系基础上 实现阻尼器设计，更加有利于工程化应用；通过建立磁流变阻尼器通道准静态流动模型并耦 合求解，考察了内外通道的流动状态随外加磁场的变化规律，分析了可控磁场的通道选择效 应，并实现了双通道磁流变阻尼器的流通面积与介质属性的双重可控特征。参考文献1 James C. Poynor , Innovative
16、 Designs for Magneto-Rheological Dampers, Master dissertation of the faculty ofVirginia Polytechnic Institute and State University, 20012 W H Li, G Z Yao, G Chen, et al, Testing and steady state modeling of a linear MR damper under sinusoidal loading, 2000 Smart Mater. Struct. 9, 95-1023 曹民,喻凡,车用磁流变
17、减振器的研制,机械工程学报,2004,Vol.40,No.3,186-1904 H H Zhang, C R Liao, M Yu and S L Huang. Study on Inner Bypass Magneto-rheological Damper withMagnetic Bias. Smart Mater. Struct. 16 (2007) N40N465 张红辉,廖昌荣,余淼等,内旁通式磁流变阻尼器及其准静态流动分析,功能材料,Vol.37 No.6,2006,981-985 6 陈懋章,粘性流体动力学基础,高等教育出版社,20027 Guangqiang Yang, Lar
18、ge-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation, Modeling, Testing and Control, PhD Dissertation, University of Notre Dame, Indiana, 2001Dual-passage Magneto-rheological Damper and the PassageSelection Effect under Controlled Magnetic FieldZHANG Honghui, TONG Jing, LIAO ChangrongKe
19、y Lab. for Opto-electronic Technology & Systems of Ministry of Education, ChongqingUniversity, Chongqing (400044)AbstractThe controllable magneto-rheological(MR) damper based on MR effect, and the semi-active vibrationcontrol system with the MR damper have gained the interests on the academic, and t
20、he controllable MR device is the key factor for the engineering application. Based on three basic principles of flow, shear and squeeze working modes, the researchers had proposed many configurations of MR damper, and many important conclusions have been obtained. This paper proposes a new-type dual
21、 passage MR damper to avoid the flow blockage problem of the simplex passage characteristics of existed configurations. The demonstrated design theory and method implements the controllable features of flow area and media property for the dual-passage MR damper. Lastly, the passage selection effect is analyzed through the Bingham modeling.Keywords: Magneto-rheological damper; Dual-passage; Magnetic bias; Passage selection作者简介：张红辉，男，1977 年生，江西黎川人。重庆大学讲师，工学博士，主要从事智 能结构系统、汽车电子等领域的研究工作。童静，男，1986 年生，重庆大学硕士研究生， 主要从事智能结构系统方面的研究。廖昌荣，男，1963 年生，重庆大学教授，主要开展智 能结构系统方面的研究。