磁流變阻尼器的應(yīng)用與展望

0幾種常見磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1968年，ra斌。磁流變阻尼器(MRD)是磁流變液的一種典型應(yīng)用,因它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、響應(yīng)迅速、可調(diào)范圍廣、阻尼力大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、橋梁、建筑及軍事等減振領(lǐng)域作者對幾種常見的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行了闡述,并對國內(nèi)外關(guān)于磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和總結(jié)。1阻尼間隙對磁流變阻尼器磁力的影響圖1所示是一個典型的單線圈剪切閥式磁流變阻尼的結(jié)構(gòu)組成及工作原理,主要由活塞、活塞桿、套筒、勵磁線圈及端蓋組成。勵磁線圈纏繞在活塞的繞線槽中,活塞與套筒之間的環(huán)形阻尼間隙即為磁流變液的阻尼通道。當(dāng)給磁流變阻尼器的勵磁線圈通入一定電流時,由于電磁感應(yīng)原理,在活塞和套筒之間形成閉合的磁場,且磁力線垂直于阻尼間隙。磁流變液因活塞桿往復(fù)運(yùn)動流經(jīng)阻尼間隙,由于磁場作用會迅速從液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài),其黏度隨著感應(yīng)磁場強(qiáng)度的加強(qiáng)而增大。活塞頭運(yùn)動需克服分子間剪切應(yīng)力,從而使阻尼器獲得一定的阻尼力。通過改變通入電流的大小,達(dá)到調(diào)節(jié)輸出阻尼力的效果。2磁流變阻尼器的數(shù)學(xué)模型磁流變阻尼器的工作模式可分為閥式、剪切式、擠壓式與剪切閥式四類。由于剪切閥式能夠輸出較大阻尼力,同時能提供較大行程,磁流變阻尼器均采用剪切閥式圖2所示為剪切閥式阻尼器工作磁路結(jié)構(gòu),磁流變液在磁場作用下表現(xiàn)為Bingham流體,所以其阻尼力數(shù)學(xué)公式采用Bingham平板模型推導(dǎo)式中:η為磁流變液的流體表現(xiàn)黏度系數(shù);L為阻尼間隙有效長度;A公式中的前半部分為黏性阻尼力,為不可控力,后半部分為庫侖力,為可控力。磁流變阻尼器需考慮的兩個重要指標(biāo)是輸出阻尼力的大小以及動態(tài)可調(diào)范圍。由公式(1)可知輸出阻尼力和動態(tài)可調(diào)范圍均與可控阻尼力有關(guān),而可控阻尼力的大小主要由磁流變液的屈服應(yīng)力τ2.1磁流變阻尼器土耳其薩卡利亞大學(xué)的PARLAK等提出一種圖3所示典型的單線圈磁流變阻尼器為了得到更大的輸出阻尼力,美國圣母大學(xué)的YOSHIOKA等圖5所示是美國LORD公司的JOLLY等設(shè)計(jì)的一種三線圈磁流變阻尼器2.2雙出桿式磁流變阻尼器如圖6所示,是美國DELPHI公司設(shè)計(jì)的一種單出桿式磁流變阻尼器為了使磁流變阻尼器獲得更好的軸向定位,航空工程學(xué)院的薛建海提出一種圖7所示的雙出桿式磁流變阻尼器2.3提高阻尼力傳統(tǒng)的磁流變阻尼器一般將液流通道置于外側(cè),如圖3和圖4所示。通過改變液流通道的形狀或長度,使有效阻尼間隙長度增加,是一種很有效的提高阻尼力的方法。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭朝陽等重慶大學(xué)的趙丹俠提出一種如圖9所示的蛇形液流通道磁流變阻尼器3磁流變阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)磁流變阻尼器的性能指標(biāo)包括輸出阻尼力、可調(diào)范圍、響應(yīng)速度等。而所有的性能指標(biāo)都與阻尼器的結(jié)構(gòu)直接或間接相關(guān)。合理地設(shè)計(jì)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)和尺寸不僅能使其工作性能優(yōu)良,同時提高磁路的利用率使阻尼器整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,易于安裝。目前傳統(tǒng)的針對磁流變阻尼器的理論計(jì)算及設(shè)計(jì)方法,可以使阻尼器達(dá)到一定的性能指標(biāo),與此同時阻尼器容易體積龐大,材料利用率過低。而對阻尼器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以以最短的時間、最少的人力和物力投入選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。因此,對磁流變阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究顯得越來越重要。隨著有限元分析軟件的日漸成熟,利用軟件對磁流變阻尼器仿真優(yōu)化呈現(xiàn)多元化趨勢。國內(nèi)外很多研究人員針對磁流變阻尼器的優(yōu)化提出很多不同的思路和方法。有預(yù)先設(shè)置幾組磁流變阻尼器結(jié)構(gòu),通過仿真分析比較得出最優(yōu);有利用ANSYS軟件中參數(shù)化編程語言APDL,直接對阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);也有采用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法對阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);有只設(shè)置一個目標(biāo)函數(shù),也有設(shè)置多個目標(biāo)函數(shù)。3.1磁流變阻尼器優(yōu)化如圖10所示,裝甲兵工程學(xué)院張進(jìn)秋等提出一種葉片式磁流變阻尼器,并通過逐步改變尺寸然后比較的方法進(jìn)行優(yōu)化馬來西亞國際伊斯蘭大學(xué)MMFERDAUS等設(shè)計(jì)了一種汽車懸架用磁流變阻尼器,圖11所示為該磁流變阻尼器二維軸對稱模型馬里蘭大學(xué)MSAKHAN等通過對單線圈、雙線圈、三線圈的活塞邊緣平端、倒角端、圓端9種不同配置阻尼器進(jìn)行仿真分析,得出具有圓端活塞邊緣的磁流變阻尼器能產(chǎn)生最大輸出阻尼力除了對阻尼器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化,阻尼器材料優(yōu)化也被一些學(xué)者研究。西安交通大學(xué)BKYANG等建立了如圖13所示阻尼器活塞結(jié)構(gòu),表1所示為活塞頭選擇3種不同材料的方式,通過有限元方法分析比較得出第3組阻尼通道處磁通密度最大3.2基于anasis的磁流變阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖14所示,重慶大學(xué)李以農(nóng)等采用有限元分析軟件ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL對汽車磁流變阻尼器進(jìn)行了優(yōu)化韓國仁川大學(xué)KGSUNG等利用有限元分析軟件ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL對汽車懸架用磁流變阻尼器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)中國民航大學(xué)祝世興等以磁流變阻尼器有效阻尼間隙處磁場強(qiáng)度最大為目標(biāo)函數(shù),以缸筒、活塞中的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為約束條件,采用ANSYS軟件的參數(shù)化編程語言APDL對該磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明:優(yōu)化后的磁路結(jié)構(gòu)在阻尼間隙處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯高于優(yōu)化前的磁路結(jié)構(gòu)除了之前的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)也常用于磁流變阻尼器上。韓國仁荷大學(xué)QHNGUYEN等提出一種基于ANSYS的參數(shù)化編程語言APDL的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法3.3基于doe的磁流變阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)薩卡利亞大學(xué)ZPARLAK等提出一種基于田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)的磁流變阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法印度美科Schlenk工程學(xué)院JTHANIKACHALAM等采用田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法對某磁流變制動器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)3.4基于響應(yīng)曲面的磁流變阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法課題組提出一種基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)及響應(yīng)面法(RSM)的磁流變阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,研究各優(yōu)化參數(shù)對阻尼器目標(biāo)函數(shù)的影響;然后建立響應(yīng)曲面,并在響應(yīng)曲面的基礎(chǔ)上優(yōu)化得出最優(yōu)值。優(yōu)化流程圖如圖15所示。4國內(nèi)外磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)展磁流變阻尼器作為一種廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的智能減振設(shè)備,其性能指標(biāo)要求較高。為了得到性能優(yōu)良的阻尼器結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要。文中對國內(nèi)外現(xiàn)有的磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化