田 靜，李曉飛

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

飛機(jī)在降落時(shí)，其前輪會(huì)產(chǎn)生以原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S線的左右偏擺振蕩現(xiàn)象，即飛機(jī)前輪擺振。若擺振不加以控制，輕則飛機(jī)偏離滑跑方向，重則會(huì)釀成飛行事故[1-2]。因此，給飛機(jī)加裝減擺器尤為重要。近些年，一些學(xué)者將廣泛應(yīng)用于汽車、房屋減震等方面的磁流變阻尼器應(yīng)用到民航領(lǐng)域，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的磁流變減擺器。相比于傳統(tǒng)的油液式和摩擦式減擺器，磁流變減擺器具有響應(yīng)速度快、輸出阻尼力可調(diào)、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。耿凡[5]設(shè)計(jì)了用于無(wú)人機(jī)的旋板式磁流變減擺器。周云等[6]對(duì)多種磁流變阻尼器的工作模式、動(dòng)力學(xué)模型及控制策略進(jìn)行了總結(jié)概述。楊云鵬[7]針對(duì)磁流變減擺器的一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行歸納，總結(jié)出開發(fā)磁流變減擺器的設(shè)計(jì)規(guī)范。通過(guò)上述分析，磁流變減擺器在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在相似工作量大、有限元分析過(guò)程較為復(fù)雜等問(wèn)題，不僅增加了設(shè)計(jì)難度，且延緩了設(shè)計(jì)時(shí)間，開發(fā)磁流變減擺器設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)可有效地將磁流變減擺器的設(shè)計(jì)流程標(biāo)準(zhǔn)化。

由于組成磁流變減擺器的零件較多，在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)所有組成零件進(jìn)行建模，當(dāng)修改某一零件尺寸時(shí)，同時(shí)需對(duì)相關(guān)零件重新建模，工作較為繁瑣。在對(duì)磁流變減擺器進(jìn)行磁場(chǎng)仿真時(shí)，需分析其在不同尺寸下的磁場(chǎng)分布情況。ANSYS 軟件GUI 模式下每修改一次參數(shù)都需重新建立仿真模型，工作量較大，且對(duì)研發(fā)人員要求較高。改進(jìn)方案中建立的仿真平臺(tái)將各磁流變減擺器的零件尺寸參數(shù)化，只需將修改的零件尺寸參數(shù)值輸入到驅(qū)動(dòng)模型中，就可完成所有相關(guān)聯(lián)零件的建模及繪制工程圖。后臺(tái)可根據(jù)輸入值實(shí)時(shí)修改APDL 命令流文件，便可完成對(duì)磁流變減擺器的磁場(chǎng)分析，最終達(dá)到縮短研發(fā)時(shí)間的目的。

1 需求分析

1.1 工作原理

磁流變減擺器的工作原理是通過(guò)內(nèi)置磁感應(yīng)強(qiáng)度變化來(lái)改變磁流變液的表觀黏度最終改變減擺器的輸出阻尼力。傳統(tǒng)的磁流變減擺器有4 種，分別為：壓差式、剪切式、擠壓式和混合式，而減擺器的結(jié)構(gòu)形式種類較多，主要包括：?jiǎn)纬鰲U活塞式、雙出桿活塞式、旁通閥式和旋板式等類型。壓差剪切式結(jié)構(gòu)的雙出桿活塞式磁流變減擺器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙出桿活塞式磁流變減擺器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of double rod piston type MR damper

磁流變減擺器設(shè)計(jì)過(guò)程中通常需要遵循兩個(gè)要求：磁通量守恒和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。磁流變減擺器的性能可通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)判別：減擺器輸出的最大阻尼力F0和阻尼力可調(diào)倍數(shù)β，二者計(jì)算公式如下

式中：μ 為磁流變液零場(chǎng)黏度；L 為阻尼通道長(zhǎng)度；D為活塞直徑；d 為活塞桿直徑；h 為阻尼通道間隙；τy為磁流變液剪切屈服強(qiáng)度；v 為活塞桿相對(duì)于缸筒運(yùn)動(dòng)速度。減擺器輸出最大阻尼力F0隨著活塞與阻尼通道間隙h 的增大而減小，而可調(diào)倍數(shù)β 的變化趨勢(shì)則正好相反。

1.2 磁流變減擺器仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)需求

目前，文獻(xiàn)[8-9]開發(fā)了基于磁流變減震器的起落架落震仿真平臺(tái)，平臺(tái)分為減震器設(shè)計(jì)和落震測(cè)試模塊，但其設(shè)計(jì)模塊和磁路分析模塊都只能對(duì)減震器的部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行修改，具有一定局限性。磁流變減擺器在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有相似性高、模塊化等特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。若要改善磁流變減擺器的設(shè)計(jì)流程，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，則需對(duì)相似性高且需要研發(fā)人員投入過(guò)多精力的部分進(jìn)行仿真平臺(tái)的開發(fā)。

圖2 磁流變減擺器設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Design flow chart of MR damper

在對(duì)磁流變減擺器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出初始尺寸，對(duì)初始尺寸進(jìn)行建模并分析其磁場(chǎng)分布情況。在搭建減擺器構(gòu)建模塊時(shí)，需根據(jù)活塞直徑、活塞桿直徑、阻尼間隙長(zhǎng)度、阻尼通道間隙等多個(gè)主要尺寸參數(shù)進(jìn)行構(gòu)建，然后依據(jù)這些主要尺寸對(duì)其余結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建。因此，平臺(tái)在編寫程序時(shí)，需對(duì)多個(gè)主要尺寸進(jìn)行參數(shù)化處理，用戶只需輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)即可得到相應(yīng)的工程圖和分析結(jié)果。

在對(duì)磁流變減擺器進(jìn)行磁路分析時(shí)，通常只需調(diào)整1 個(gè)參數(shù)值，然后分析這個(gè)參數(shù)對(duì)磁路分布的影響，操作過(guò)程具有相似性，但ANSYS 處理每次修改數(shù)值都需要重新建模，且建模過(guò)程復(fù)雜，從而延緩了設(shè)計(jì)周期。磁流變減擺器仿真平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具有如下基本功能：

1）減擺器建模功能 可根據(jù)減擺器各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行賦值，然后快速得到其三維模型及二維工程圖，便于裝配和擺振動(dòng)力學(xué)分析；

2）減擺器磁路仿真功能 可根據(jù)簡(jiǎn)化磁路的參數(shù)進(jìn)行修改賦值，得到對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)分布結(jié)果，便于研究各參數(shù)對(duì)減擺器磁路分布的影響；

3）友好的人機(jī)交互界面 界面分布清晰，減少用戶無(wú)效操作和誤操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)磁流變減擺器的原理建立仿真平臺(tái)：包括人機(jī)交互界面、后臺(tái)核心軟件及數(shù)據(jù)管理3 部分，仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。搭建平臺(tái)的難點(diǎn)在于交互界面和后臺(tái)核心軟件的連接，在人機(jī)界面輸入相關(guān)參數(shù)值，參數(shù)數(shù)據(jù)傳遞至后臺(tái)CATIA 和ANSYS 進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算完成后，通過(guò)人機(jī)界面對(duì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)用。

嵌入式系統(tǒng)正改變著人們從事的職業(yè)，最明顯例子是因特網(wǎng)(Internet)，因特網(wǎng)實(shí)際上是用各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互連接起來(lái)的大量嵌入式系統(tǒng)的集合。從各端點(diǎn)的打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、路由器到骨干網(wǎng)的交換機(jī)都是實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的例子。

圖3 仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure of simulation platform

2.1 人機(jī)交互界面

在仿真過(guò)程中，界面設(shè)計(jì)應(yīng)便于用戶使用，充分提高用戶工作效率，減少發(fā)生錯(cuò)誤的可能。在參數(shù)輸入界面，為用戶提供清晰的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。為了方便用戶了解軟件運(yùn)行情況，通過(guò)Timer 控件和MsgBox 控件設(shè)置有提示運(yùn)行狀況的窗口，設(shè)有圖示框輸出界面，方便用戶對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行查看，仿真平臺(tái)的主體界面如圖4（a）所示，參數(shù)化建模操作界面如圖4（b）所示。

圖4 仿真平臺(tái)交互界面Fig.4 Interactive interface of simulation platform

2.2 磁流變減擺器構(gòu)建模塊

CATIA 因其優(yōu)異的零件建模、運(yùn)動(dòng)仿真能力，在民航業(yè)中廣泛應(yīng)用，郭婧[10]通過(guò)CATIA 對(duì)起落架拆裝車進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真。CATIA 是一個(gè)OLE 自動(dòng)化對(duì)象服務(wù)器，任何可以訪問(wèn)COM 對(duì)象的程序都可以訪問(wèn)CATIA 的對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行操作[11]。在VB 6.0 環(huán)境下通過(guò)CATIA 提供的自動(dòng)化對(duì)象編程接口（V5 Automation），以進(jìn)程外訪問(wèn)CATIA 的方式對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，其參數(shù)化建模流程圖如圖5所示。首先利用CATIA 自帶的宏錄制功能，快速獲取VB 程序代碼，然后對(duì)其進(jìn)行修改，設(shè)置尺寸參數(shù)，最終得到磁流變減擺器各零件的三維參數(shù)化模型繪制代碼及工程圖生成代碼[12-15]。然后再與VB 設(shè)計(jì)的界面結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)人機(jī)交互界面的操作來(lái)達(dá)到對(duì)模型參數(shù)值的調(diào)用、修改，當(dāng)零件尺寸參數(shù)值改變時(shí)，VB 程序自動(dòng)生成新的零部件及相應(yīng)的工程圖。

圖5 MR 減擺器建模模塊開發(fā)流程圖Fig.5 Development flowchart of MR damper modeling module

參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的是將零件的幾何信息設(shè)置為變量，通過(guò)對(duì)變量的參數(shù)值進(jìn)行修改從而達(dá)到改變零件尺寸的目的，便于后期對(duì)復(fù)雜零件參數(shù)的修改，提高零件研發(fā)效率。其難點(diǎn)在于將零件尺寸驅(qū)動(dòng)模型程序化。CATIA 宏錄制對(duì)于某些操作是不能錄制的，需要開發(fā)者根據(jù)程序幫助文件編寫，如在對(duì)減擺器零件尺寸進(jìn)行參數(shù)化時(shí)，宏錄制不能導(dǎo)出該操作的程序，通過(guò)結(jié)合CATIA 知識(shí)專家中的參數(shù)模塊和零件設(shè)計(jì)模塊，完成了減擺器各零件尺寸驅(qū)動(dòng)模型程序的編寫。

2.3 磁流變減擺器性能分析模塊

ANSYS 軟件在進(jìn)行建模與分析時(shí)有兩種方式：GUI 方式和APDL 方式，GUI 方式不適合循環(huán)重復(fù)性的操作，如需對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，則需要重新建立模型；APDL 方式則可解決這一難題，APDL 參數(shù)化語(yǔ)言寫成的命令流簡(jiǎn)要、易于修改，極大地簡(jiǎn)化了對(duì)ANSYS 的操作[16-17]。根據(jù)磁流變減擺器磁路分析過(guò)程，仿真平臺(tái)分為：參數(shù)輸入模塊、APDL 命令流文件生成模塊、ANSYS 后臺(tái)分析模塊、結(jié)果讀取模塊。用戶需要在參數(shù)輸入模塊參照零件結(jié)構(gòu)示意圖輸入磁流變減擺器的結(jié)構(gòu)尺寸以及材料屬性，然后生成可供ANSYS 后臺(tái)運(yùn)算的APDL 命令流。在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)彈出對(duì)話框提示當(dāng)前的運(yùn)算狀況。數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)對(duì)用戶輸入的材料參數(shù)及尺寸參數(shù)進(jìn)行保存，方便之后查詢、調(diào)用，避免一些重復(fù)工作，可在一定程度上減少工作量。ANSYS 后臺(tái)分析模塊調(diào)用ANSYS 進(jìn)行分析計(jì)算并將結(jié)果保存到結(jié)果文件。結(jié)果讀取模塊讀取結(jié)果文件并顯示磁流變減擺器的磁力線分布圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖和磁通密度分布圖。磁流變減擺器性能分析模塊流程圖如圖6所示。

圖6 磁流變減擺器性能分析模塊流程圖Fig.6 Performance analysis module for MR damper

在對(duì)減擺器進(jìn)行磁場(chǎng)分析時(shí)，通常是對(duì)零件結(jié)構(gòu)的尺寸值進(jìn)行修改，其他的操作基本一致。因此，可將輸入命令流文件分為兩個(gè)部分：根據(jù)零件尺寸實(shí)時(shí)修改內(nèi)容的命令流和固定內(nèi)容的命令流。在具體編程時(shí)，只需用Print 函數(shù)將實(shí)時(shí)修改的參數(shù)命令流寫入已編輯好固定內(nèi)容的命令流文件中即可，相比于用Print將所有內(nèi)容逐條輸入到命令流文件中，不僅提高了工作效率，且減少了工作量。通過(guò)使用Shell 函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS 軟件的后臺(tái)調(diào)用。

3 仿真實(shí)例

根據(jù)減擺器的結(jié)構(gòu)參數(shù)運(yùn)行仿真平臺(tái)，可得到減擺器零件的三維模型及工程圖。以缸筒為例，其二維工程圖、三維零件圖如圖7（單位：mm）和圖8所示。通過(guò)建模模塊完成減擺器其他部分零件建模，然后可進(jìn)行裝配。雙出桿活塞式減擺器模型圖如圖9所示。

圖7 缸筒二維工程圖Fig.7 2D engineering drawing of cylinder

圖8 缸筒CATIA 三維模型Fig.8 CATIA 3D model of cylinder

圖9 雙出桿活塞式減擺器模型圖Fig.9 3D model of double rod piston type MR damper

運(yùn)行磁路仿真模塊，可得到減擺器的磁力線分布圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖和磁通密度分布圖，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，研究阻尼通道長(zhǎng)度及阻尼通道間隙對(duì)減擺器磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。由圖10看出，阻尼通道間隙與最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化呈倒“V”型。當(dāng)阻尼通道間隙變化時(shí)，其最大和最小磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。當(dāng)阻尼通道間隙由0.6 mm 增加至0.7 mm 時(shí)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度迅速增加，然后開始逐漸變小。其原因于阻尼通道橫截面積過(guò)小時(shí)，阻尼通道內(nèi)阻尼強(qiáng)度易于達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致間隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于平緩。當(dāng)阻尼通道內(nèi)的磁場(chǎng)未達(dá)到飽和時(shí)，離活塞桿纏繞的線圈越近磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，隨著阻尼通道間隙增加，其磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸下降[18-20]。

圖10 阻尼通道間隙與其磁感應(yīng)強(qiáng)度變化圖Fig.10 Damping channel gap vs.magnetic induction intensity

由圖11可看出，當(dāng)阻尼通道長(zhǎng)度變化時(shí)，阻尼通道最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最小磁感應(yīng)強(qiáng)度變化相同，呈“Z”型。當(dāng)阻尼通道長(zhǎng)度一定時(shí)，阻尼通道磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值和最小值隨阻尼通道間隙值變小而增大；當(dāng)阻尼通道長(zhǎng)度增大到一定值的時(shí)候，阻尼通道磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)劇烈下降，如L=3.9 mm 時(shí)最大磁感線強(qiáng)度下降到了0.3 T；L=3.8 mm 時(shí)阻尼通道的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度直接下降到了0.1 T，因此，在一定范圍內(nèi)阻尼通道長(zhǎng)度不宜過(guò)大。

圖11 阻尼通道長(zhǎng)度與其磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig.11 Damping channel length vs.magnetic induction intensity

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)減擺器結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行參數(shù)化，應(yīng)用所開發(fā)的仿真平臺(tái)，結(jié)合三維建模軟件優(yōu)勢(shì)，用戶可根據(jù)輸入?yún)?shù)快速對(duì)雙出桿活塞式減擺器的各組成零件進(jìn)行快速建模，得到三維模型及二維工程圖，且無(wú)需熟悉CATIA 軟件，方便減擺器設(shè)計(jì)。當(dāng)后期需對(duì)零件尺寸修改時(shí)無(wú)需重新進(jìn)行模型構(gòu)建，減少不必要的工作量，達(dá)到縮短研發(fā)時(shí)間的目的。

基于ANSYS 二次開發(fā)，搭建了磁場(chǎng)分析模塊，可快速地根據(jù)輸入?yún)?shù)得出有限元分析結(jié)果，便于研究磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響，無(wú)需每次修改參數(shù)都要重新構(gòu)建模型，節(jié)約時(shí)間，最終降低減擺器的設(shè)計(jì)難度。

在對(duì)磁流變減擺器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，阻尼通道的橫截面積不宜過(guò)小，過(guò)小會(huì)迅速達(dá)到磁場(chǎng)飽和；阻尼通道長(zhǎng)度不宜過(guò)大，過(guò)大容易造成阻尼通道磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)小，從而影響減擺器的性能。