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摘 要 磁流变液阻尼器是新型的智能化吸能装置，文章采用宾汉模型研究纯剪切盘式磁流变液阻尼器的力矩计算模型，并引入磁致力矩与粘性力矩比例，对此类阻尼器磁路设计进行分析，用ANSYS软件分析工作面的复合式磁路设计磁场分布情况。
关键词 磁流变液；阻尼器；力矩；复合式磁路
中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）21-0017-02
磁流变液（Magnetorheological Fluids）是近十年来迅速发展的一种智能材料，通常是一种将微米尺寸的可磁化颗粒分散于母液中构成的悬浮液。无磁场时为牛顿流体，而在强磁场作用下其在瞬间由液体变为粘塑体，其流变性质发生急剧变化，表现出类似固体的力学性质。其固—液转换在毫秒量级内完成，而且去除磁场后这种材料又迅速恢复其流动性，因而其应用前景极为广泛。
1 磁流变液数学模型
1.1 微观模型
对于磁流变液的微观结构已经有学者进行了较深入分析，在这里我们假设在上下滑板间充满磁流变液，在外加磁场的作用下，磁流变液中的磁性微粒形成链状结构，链的末端吸附于上下滑板上。
1.2 本构方程
由于磁流变效应的复杂性，目前还没有公认的力学计算模型。最多的是根据实验数据采用优化方法建立阻尼器动力学模型。
在保证精度的前提下为简便起见可采用Bingham塑性流体模型描述磁流变体的本构关系。Bingham流体的流变曲线是剪切应力有初值（屈服应力τb）的直线。其流变方程为剪切应力τ与剪切变形速度成近似直线关系。该模型形式简单、概念清晰，描述阻尼器的力-位移关系物理意义明显，易于实际应用。
2 盘式阻尼器分析
磁流变液剪切盘阻尼器结构图如图1所示，阻尼器为单盘式，磁流变液填充于转动盘与外壁间的空腔内，当盘片由于外部驱动力矩转动时，阻尼器工作于剪切模式，工作面积为半径从R0到R1的圆环面。
磁流变液阻尼器的阻尼力的一般形式可表示为：
F=Fc+Fm+Fi （1）
其中Fi、Fm、Fc分别为流体阻尼力，电磁力及电涡流阻尼力。
由文献[4]可知，对于剪切盘式阻尼器，其输出力矩可由如下公式描述：
（2）
因为磁致扭矩TB∝磁场强度B∝控制电流I，所以这部分扭矩属于可控阻尼力矩，本文引入可控系数δ（δ=TB/T，TB为磁致扭矩，T为总流体阻尼扭矩）表征磁流变液阻尼器的可控性，用于衡量磁流变液阻尼器的控制效率。
1.磁体；2.工作腔；3.磁流变液；
4.传动轴；5.密封轴承；6.工作盘
图1 阻尼器结构示意图
3 盘式阻尼器磁路分析
盘式磁流变液减振器的阻尼力计算理论基本成熟，但此类阻尼器设计磁路设计还需要做进一步的研究。
3.1 磁路分布类型
磁路设计根据形成磁场强度的方式可分为永磁式、电流励磁式、复合式三大类，其中永磁式由于阻尼系数不可调，相当于常规阻尼器，本文在此不进行讨论。
电流励磁式就是磁场强度由励磁电流产生，无电流时阻尼力矩由液体粘性提供。
复合式磁路是在电流励磁式的基础上增加了永磁体，根据磁场强度矢量叠加的原理进行磁路设计的。适当磁场方向，可以得到两种复合磁场：
1）磁场正向叠加，可用一个小励磁电流就产生较大的阻尼力矩，在适当条件下可以降低控制能耗，具有良好的经济性。
2）磁场反向叠加，当电流磁场小于永磁体磁场时，随着电流增大，磁场强度变小，直至两者完全抵消。此后电流继续增大，磁场强度同步增大。
A型复合磁场由于永磁体磁场的存在，可以持续工作在大阻尼状态下，具有很好的稳定性和经济性。B型复合磁场由于具有工作区域磁场强度先减后增的特性，可以很好地排除剩磁对阻尼系数变化范围所造成的影响，利用达到最大的可控性，是较有发展潜力的一种磁路设计方式。
3.2 磁场有限元分析
有限元模型的建立，应用了ANSYS的Magnetic-edge模块。圆盘式阻尼器为回转式对称结构，取阻尼器过轴心的一个横载面二分之一部分采用二维轴对称模型，模型中磁流变液、工作盘、励磁线圈、永磁体、壳体及其他部分材料，材料相对磁导率分别取为空气等绝缘材料?1=1，金属材料?2=1000，磁流变液?3由B-H曲线给出。
模型单元类型选PLANE53（二维8节点实体单元）。因为磁路较为集中，磁漏较少，采用远场INFIN110，指定各材料类型后在ANSYS软件中得到阻尼器模型，按磁场分布规律对模型进行网格划分。
图2 仿真磁流密度矢量图
图3 励磁电流-阻尼力矩关系
对模型施加励磁电流载荷，分析求解获得磁路磁流密度矢量图2，磁通集中在工作盘间隙处，且矢量基本垂直于工作盘。
3.3 实验结果及分析
在自制磁流变液阻尼器样机上进行了实验。永磁体部分用恒定电流Is的300匝励磁线圈代替。图3为阻尼器在不同励磁电流（与永磁体部分电流相同方向为负，相反方向为正）作用下，转速恒定为400 rpm时的输出扭矩值拟合图。A线Is为0.2 A，B线Is为0.4 A。
得出以下结论：
1）阻尼器材料被磁化后，存在一定的剩磁现象，因此在零电流下仍具有磁场强度，零场阻尼力矩较大。
2）复合式磁路由于系统剩磁与永磁体磁场同时被电流励磁抵消，实现了相对的工作面零磁场强度。最小阻尼力矩为0.4Nm，阻尼器在低负载情况可控性明显改善。
3）达到同样阻尼效果，可有正向励磁和反向励磁两种方式选择。充分利用永磁体的磁场强度，可达到节能降耗的目标。
4）通过选取适当的Is（即永磁体磁场强度），可以实现图5的力矩曲线水平移动，获得不同大小的无励磁电流阻尼Tb。
参考文献
[1]Carlson J.D，etal.“Commercial Magneto-Rheological Fluids Devices”.5th Int. Conf.on ER Fluids，10-14 July，1995.
[2]彭小强.磁流变液剪切屈服应力模型的理论分析与实验[J].国防科技大学学报，2006，28（4）.
[3]邓志党.磁流变阻尼器力学模型的研究现状[J].振动与冲击，2006，25（3）.
[4]崔治等.非匀强磁场应用于旋转式磁流变阻尼器的研究[J].机械设计与制造，2012（12）.
[5]葛惠娟.逆变型MR阻尼器的设计及其磁路分析[J].四川建筑科学研究，2007（2）.
作者简介
崔治（1977-），男，湖南株洲人，讲师，博士，研究方向：智能材料应用与机械在线检测。
关键词 磁流变液；阻尼器；力矩；复合式磁路
中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）21-0017-02
磁流变液（Magnetorheological Fluids）是近十年来迅速发展的一种智能材料，通常是一种将微米尺寸的可磁化颗粒分散于母液中构成的悬浮液。无磁场时为牛顿流体，而在强磁场作用下其在瞬间由液体变为粘塑体，其流变性质发生急剧变化，表现出类似固体的力学性质。其固—液转换在毫秒量级内完成，而且去除磁场后这种材料又迅速恢复其流动性，因而其应用前景极为广泛。
1 磁流变液数学模型
1.1 微观模型
对于磁流变液的微观结构已经有学者进行了较深入分析，在这里我们假设在上下滑板间充满磁流变液，在外加磁场的作用下，磁流变液中的磁性微粒形成链状结构，链的末端吸附于上下滑板上。
1.2 本构方程
由于磁流变效应的复杂性，目前还没有公认的力学计算模型。最多的是根据实验数据采用优化方法建立阻尼器动力学模型。
在保证精度的前提下为简便起见可采用Bingham塑性流体模型描述磁流变体的本构关系。Bingham流体的流变曲线是剪切应力有初值（屈服应力τb）的直线。其流变方程为剪切应力τ与剪切变形速度成近似直线关系。该模型形式简单、概念清晰，描述阻尼器的力-位移关系物理意义明显，易于实际应用。
2 盘式阻尼器分析
磁流变液剪切盘阻尼器结构图如图1所示，阻尼器为单盘式，磁流变液填充于转动盘与外壁间的空腔内，当盘片由于外部驱动力矩转动时，阻尼器工作于剪切模式，工作面积为半径从R0到R1的圆环面。
磁流变液阻尼器的阻尼力的一般形式可表示为：
F=Fc+Fm+Fi （1）
其中Fi、Fm、Fc分别为流体阻尼力，电磁力及电涡流阻尼力。
由文献[4]可知，对于剪切盘式阻尼器，其输出力矩可由如下公式描述：
（2）
因为磁致扭矩TB∝磁场强度B∝控制电流I，所以这部分扭矩属于可控阻尼力矩，本文引入可控系数δ（δ=TB/T，TB为磁致扭矩，T为总流体阻尼扭矩）表征磁流变液阻尼器的可控性，用于衡量磁流变液阻尼器的控制效率。
1.磁体；2.工作腔；3.磁流变液；
4.传动轴；5.密封轴承；6.工作盘
图1 阻尼器结构示意图
3 盘式阻尼器磁路分析
盘式磁流变液减振器的阻尼力计算理论基本成熟，但此类阻尼器设计磁路设计还需要做进一步的研究。
3.1 磁路分布类型
磁路设计根据形成磁场强度的方式可分为永磁式、电流励磁式、复合式三大类，其中永磁式由于阻尼系数不可调，相当于常规阻尼器，本文在此不进行讨论。
电流励磁式就是磁场强度由励磁电流产生，无电流时阻尼力矩由液体粘性提供。
复合式磁路是在电流励磁式的基础上增加了永磁体，根据磁场强度矢量叠加的原理进行磁路设计的。适当磁场方向，可以得到两种复合磁场：
1）磁场正向叠加，可用一个小励磁电流就产生较大的阻尼力矩，在适当条件下可以降低控制能耗，具有良好的经济性。
2）磁场反向叠加，当电流磁场小于永磁体磁场时，随着电流增大，磁场强度变小，直至两者完全抵消。此后电流继续增大，磁场强度同步增大。
A型复合磁场由于永磁体磁场的存在，可以持续工作在大阻尼状态下，具有很好的稳定性和经济性。B型复合磁场由于具有工作区域磁场强度先减后增的特性，可以很好地排除剩磁对阻尼系数变化范围所造成的影响，利用达到最大的可控性，是较有发展潜力的一种磁路设计方式。
3.2 磁场有限元分析
有限元模型的建立，应用了ANSYS的Magnetic-edge模块。圆盘式阻尼器为回转式对称结构，取阻尼器过轴心的一个横载面二分之一部分采用二维轴对称模型，模型中磁流变液、工作盘、励磁线圈、永磁体、壳体及其他部分材料，材料相对磁导率分别取为空气等绝缘材料?1=1，金属材料?2=1000，磁流变液?3由B-H曲线给出。
模型单元类型选PLANE53（二维8节点实体单元）。因为磁路较为集中，磁漏较少，采用远场INFIN110，指定各材料类型后在ANSYS软件中得到阻尼器模型，按磁场分布规律对模型进行网格划分。
图2 仿真磁流密度矢量图
图3 励磁电流-阻尼力矩关系
对模型施加励磁电流载荷，分析求解获得磁路磁流密度矢量图2，磁通集中在工作盘间隙处，且矢量基本垂直于工作盘。
3.3 实验结果及分析
在自制磁流变液阻尼器样机上进行了实验。永磁体部分用恒定电流Is的300匝励磁线圈代替。图3为阻尼器在不同励磁电流（与永磁体部分电流相同方向为负，相反方向为正）作用下，转速恒定为400 rpm时的输出扭矩值拟合图。A线Is为0.2 A，B线Is为0.4 A。
得出以下结论：
1）阻尼器材料被磁化后，存在一定的剩磁现象，因此在零电流下仍具有磁场强度，零场阻尼力矩较大。
2）复合式磁路由于系统剩磁与永磁体磁场同时被电流励磁抵消，实现了相对的工作面零磁场强度。最小阻尼力矩为0.4Nm，阻尼器在低负载情况可控性明显改善。
3）达到同样阻尼效果，可有正向励磁和反向励磁两种方式选择。充分利用永磁体的磁场强度，可达到节能降耗的目标。
4）通过选取适当的Is（即永磁体磁场强度），可以实现图5的力矩曲线水平移动，获得不同大小的无励磁电流阻尼Tb。
参考文献
[1]Carlson J.D，etal.“Commercial Magneto-Rheological Fluids Devices”.5th Int. Conf.on ER Fluids，10-14 July，1995.
[2]彭小强.磁流变液剪切屈服应力模型的理论分析与实验[J].国防科技大学学报，2006，28（4）.
[3]邓志党.磁流变阻尼器力学模型的研究现状[J].振动与冲击，2006，25（3）.
[4]崔治等.非匀强磁场应用于旋转式磁流变阻尼器的研究[J].机械设计与制造，2012（12）.
[5]葛惠娟.逆变型MR阻尼器的设计及其磁路分析[J].四川建筑科学研究，2007（2）.
作者简介
崔治（1977-），男，湖南株洲人，讲师，博士，研究方向：智能材料应用与机械在线检测。