戴畸哲++龔瑤++王富山++王凱++李趙春

摘 要：磁流變材料作為一種新興的智能材料，因其具有良好的磁流變效應(yīng)，而越來越受到學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)磁流變效應(yīng)設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼力大、動(dòng)態(tài)范圍廣、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其阻尼力可通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)大小來控制，在工程上有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)拉力器存在材料種類單一、拉伸倍數(shù)小、體積大、使用壽命短、重量大、難拆卸、不易攜帶等缺點(diǎn)。該文主要針對(duì)磁流變液阻尼器的磁路結(jié)構(gòu)，利用MAXWELL軟件進(jìn)行磁路仿真。分析了活塞結(jié)構(gòu)的變化對(duì)磁流變液阻尼器磁場(chǎng)分布的影響，為磁流變液阻尼器應(yīng)用于拉力器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磁流變液 阻尼器 拉力器 磁路仿真

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（c）-0018-02

傳統(tǒng)拉力器的主要原理是通過彈簧的伸縮而產(chǎn)生一定大小的力，而這種拉力器存在材料種類單一、拉伸倍數(shù)小、體積大、使用壽命短、重量大、難拆卸、不易攜帶等缺點(diǎn)。磁流變液是由微米級(jí)的可磁化顆粒均勻分散在特定載體母液和添加劑中所形成的特殊懸浮體系。在外加磁場(chǎng)作用下，表現(xiàn)出非牛頓流體的特性，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)從自由流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w甚至固體，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的可控流變特性。近年來，磁流變液的可控流變特性逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)、車輛工程和武器系統(tǒng)等眾多重要領(lǐng)域[1-2]。根據(jù)磁流變效應(yīng)設(shè)計(jì)的磁流變液阻尼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、阻尼力大、動(dòng)態(tài)范圍廣、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其阻尼力可通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)大小來控制，在工程上有廣泛的應(yīng)用前景[3-6]，具有傳統(tǒng)機(jī)械彈簧不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。磁流變阻尼器的控制方法，是影響磁流變阻尼器應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素之一，目前已成為磁流變技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注的問題之一，取得了許多有益的研究成果。該文在傳統(tǒng)彈簧拉力器的基礎(chǔ)上采用磁流液阻尼器部分替代機(jī)械彈簧的方法對(duì)拉力器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)該模型的設(shè)計(jì)用MAXWELL軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的磁路進(jìn)行仿真，分析了磁場(chǎng)分布。理論分析及仿真結(jié)果表明拉力器的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)磁路的分布有較大影響，為磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能改善提供了依據(jù)。該文重點(diǎn)探討該設(shè)計(jì)模型的磁路形成，這對(duì)以后的磁流變液阻尼器應(yīng)用于醫(yī)療器材設(shè)備具有參考價(jià)值。

1 磁路仿真模型的建立

模型設(shè)計(jì)尺寸初步符合阻尼力等設(shè)計(jì)要求，但磁場(chǎng)規(guī)律是否符合設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。對(duì)此，我們采用MAXWELL磁路分析軟件進(jìn)行磁路仿真。

應(yīng)用MAXWELL軟件進(jìn)行磁路仿真首先需要建立幾何模型，圖1為根據(jù)表1的數(shù)據(jù)所建立的外形幾何模型。

在進(jìn)行磁路仿真分析運(yùn)行之前需要對(duì)所建立的幾何模型所用的材料進(jìn)行屬性定義，且需要加上一定的電流作為激勵(lì)，這是產(chǎn)生磁場(chǎng)的必要條件。當(dāng)然，線圈匝數(shù)等參數(shù)的設(shè)定也作為運(yùn)行前必不可少的條件，這將影響著磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。

2 磁路仿真結(jié)果與優(yōu)化

磁路仿真的結(jié)果反映在磁力線和云圖上，不同的顏色表示不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖2為初步模型的磁力線和云圖。

觀察初步模型的磁力線及云圖，基本符合磁場(chǎng)規(guī)律，但最大磁場(chǎng)強(qiáng)度B并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的理想值。對(duì)此，我們需要對(duì)此模型外形尺寸進(jìn)行第二輪的優(yōu)化，由于優(yōu)化外形尺寸始終不能阻尼力大小的設(shè)計(jì)要求，即要在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下優(yōu)化尺寸再來檢驗(yàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度。此時(shí)就會(huì)用到之前所做的尺寸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)程序界面，提高優(yōu)化效率。表2是最終優(yōu)化后的尺寸數(shù)據(jù)。

表2的尺寸數(shù)據(jù)經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化建模后，得到如圖3（a）、（b）所示的磁力線以及云圖。從圖中可以看出，鐵芯部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到飽和。至此，磁路仿真基本達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3 結(jié)語(yǔ)

該文旨在探究利用磁流變液應(yīng)用于拉力器設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)規(guī)律，以及能否產(chǎn)生真正意義上的磁場(chǎng)從而達(dá)到阻尼器的效果。從磁路仿真結(jié)果來看，此模型設(shè)計(jì)基本符合磁場(chǎng)規(guī)律。但是，該模型的設(shè)計(jì)還沒有從醫(yī)學(xué)角度探究其結(jié)構(gòu)尺寸是否符合人體臂膀張力的舒適度要求以及所用材料進(jìn)一步的強(qiáng)度校核計(jì)算。驗(yàn)證了磁流變液阻尼器在拉力器應(yīng)用中的可行性，為拉力器的科學(xué)設(shè)計(jì)提供了新的思路和實(shí)現(xiàn)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] Seval G. Synthesis and properties of magnetorheological Fluids： [PhD Dissertation].University of Pittsburgh，2002.

[2] Jolly M R，Bender J W，Carlson J.Properties and applications of commercial magnetorheological fluids[J].SPIE，1998，3327：262.

[3] Yang G， Spencer B F. Large-scale M R fluids dampers modeling and dynam ic performance consideration[J].Engineering Structures，2002，24（3）：309-323.

[4] Carlson J D.What makes a good MR fluid[J].Journal of Intelligent Material System and Structure，2003，13（7-8）：431-435.

[5] 胡紅生，王炅，崔亮，等.磁流變風(fēng)扇離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可控性分析[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34（3）：342-346.

[6] 鄒明松，侯保林.兩種大噸位磁流變阻尼器的功耗比較與參數(shù)優(yōu)化[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（6）：719-723.endprint