新型磁流變阻尼器的仿真方法研究

李勇濤，鄭建國

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

磁流變阻尼器(MRD，即Magnetorheological Damper)具有一般減振器件所沒有的阻力可控性能，利用流體在磁場作用下的流變特性，對沖擊載荷具有良好的控制緩沖效果[1]。磁流變的種類頗多，對應的粘度模型也不盡相同。除了在不同的磁場下表現出不同的屈服應力，在不同的剪切速率下，粘度也可能發生較大改變。在磁流變阻尼器中，流體在間隙處不同的位置也會受到不同的磁化強度[2]。而應用于火炮反后坐的MRD，都具有很高的速度，用常見的動網格模擬方法又很難保證精度。基于以上五點，這給應用于武器反后坐的MRD數值模擬帶來很大的困難。對于MRD的仿真研究，大多都以靜態局部壓力模擬和耦合場模擬為主。耦合場難以明確粘度模型也難以構造模型的動力學模型，而靜態模擬阻尼器實際工況也不是各個時刻的靜態疊加[3]。到目前為止，還沒有一個準確的理論描述磁流變效應，因此在FLUENT(一款流體仿真軟件)單純地導入材料特性并不能準確模擬實際流場的狀態[4]。

針對以上問題，作者首先在ANSYS中建立阻尼器活塞模型并對其磁場仿真，得不同區域的BSUM(總磁通密度值)，然后利用ICEM-CFD建立其內部全流場計算模型，進而在FLUENT進行瞬態模擬，通過UDF(用戶自定義函數)和基于區域整體運動的方法將擬合出的有關I與τy的式子導入不同的區域參與計算，從而較為精確的仿真出阻尼器工作時不同時刻的內部流場狀態。

1 新型磁流變阻尼器結構

研究對象是雙桿雙通道式阻尼器，其共有4組線圈，軸向兩線圈電流方向相反，橫向相同。結構示意圖如圖1。

1.外殼；2.第1層筒；3.第2層筒；4.第3層筒； 5.固定裝置；6.線圈；7.內阻尼間隙；8.外阻尼間隙;9.軸

磁流變效應是指體在場作用下，流體的表觀 黏度發生了巨大的變化， 甚至在磁場強度達到某一臨界值時，流體停止動而固化并具有定的抗剪切。磁流變效應作為一種殊物理材料，還表現出固體所特有的屈服現象。采用MRF-132LD磁流變液，由于后坐MRD比普通的MRD經歷更大的速度，粘度模型選用Herschel-Bukley模型[5]。圖2為H-B和bingham剪切屈服應力和剪切速率的關系。0

圖2 兩種模型的曲線

2 磁流變阻尼器的磁場模擬

在ANSYS中建模并仿真，按照穿過阻尼通道磁感應強度的分布，分為4個區域，在其中分別定義路徑，如圖3所示。沿著路徑對磁感應強度積分，最終將積分后的值除以路徑長度，得出均值。分別模擬電流為0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A、3 A、3.5 A時的情況。

圖3 區域中定義的路徑

圖4為2 A電流下路徑一的磁感應強度分布曲線，圖5為此電流下的云圖。圖6表示不同的電流下，通道各區域的磁感應強度大小。

圖4 路徑1磁感應強度分布曲線

圖5 磁感應強度分布云圖

圖6 不同電流下激活區各區域磁感應強度模擬結果分析

1) 從圖4可見，除個別點外，同一區域磁感應強度分布均勻差距在0.03T之間，做平均處理比較合理。

2) 從圖6可見，區域Ⅰ與區域Ⅲ、區域Ⅱ與區Ⅳ的BSUM值相近，將其視為內外兩大區域。內阻尼通道率先有飽和的趨勢，外阻尼通道隨后。在MATLAB中擬合得到B-I關系：

B1=-0.001 3I3-0.070 9I2+0.513 7I-0.020 8

(1)

B2=-0.006 3I3-0.028I2+0.414 4I-0.016 7

(2)

3 磁流變阻尼器的流場模擬

3.1 計算模型的建立

對活塞兩側腔室上(不包括活塞及其周圍區域)部分劃分四邊形結構化網格為運動變形區。采用三角形非結構化網格對剩余部分劃分，此部分為運動非變形區[7]。根據磁場強度分布不同將兩個通道劃分為10個部分，區域內部邊界類型為interior[8]。活塞周圍不適合網格光順或者重構，但是活塞附近一部分關鍵流動區域在整個運動過程中，形狀并未發生變化。令這部分區域作整體運動，將變形區域移到阻尼器兩端較為規則的邊界區域。后坐時，網格在左端邊界生成，在右端邊界消亡。該方法最重要特點是要讓間隙處的網格隨活塞一起運動，這樣就方便UDF對流體進行定義，使不同時刻流經通道的流體在激活的對應位置賦予不同的粘度屬性。

根據區域狀態的不同共分為8個部分，分別合理設置這些區域的網格。共91 218個網格，最小網格高度0.2 mm，最小正交質量為0.55。如圖7所示為其整體網格圖，圖8為通道部分局部網格圖，圖9為活塞附近區域網格圖。

1.運動變形區Ⅰ;2.運動非變形區;3.非激活區;4.激活區Ⅰ;5.激活區Ⅱ;6.激活區Ⅲ;7.激活區Ⅳ8.運動變形區Ⅱ

圖8 A通道局部網格圖

圖9 B區域局部網格圖

3.2 計算方法

在PROFILE文件指定運動速度，用插值的方法生成數據驅動邊界。通常這一速度應由沖擊載荷由理論計算轉化產生，但為了避免帶來計算誤差，這里通過實測火炮后坐速度產生。動網格采用鋪層法，分裂率為0.4，合并率設為0.1。

FLUENT中H-B模型粘度公式

(3)

(4)

根據該型磁流變液的數據，采用多項式擬合其屈服應力和磁感應強度的關系，如圖10所示為其擬合效果圖，擬合得到：

τy=-1.866 06e5B3+2.611 22e5B2-8.162e3B

(5)

圖10 擬合MRF的τy-B曲線

仿真初始溫度為15 ℃，采用couple求解器，2D軸對稱模型。湍流模型選用RNGk-ε模型，由于阻尼器內部壓力急劇變化，壓力項選用PRESTO!的插值方法。為了提高模擬的準確度，動量方程采用二階迎風格式離散。時間步長為1×10-5s。

3.3 模擬結果

分別仿真出不同電流下阻尼器內部的工作狀態，在Tecplot中分析處理數據,以下數據均為1A時刻。圖11為不同時刻活塞附近流體的壓力分布云圖，0.026 s為速度最大時刻。圖12為0.026 s最大速度時刻兩個腔室的流線圖，圖13為0.036 s時刻流體的粘度圖。圖14位后坐結束時刻速度矢量和粘度云圖。

圖11 不同時刻部分局部流體壓力云圖

圖12 0.026 s時刻流線圖

圖13 0.036 s的區域三四附近流體的粘度云圖

圖14 0.17 s后坐結束時刻速度矢量圖和粘度云圖

為了進一步驗證模型的準確性，取阻尼器壓力腔的一點P進行壓力測試，如圖15。以某小型火炮為實驗裝備進行小射角(θ<15°)射擊實驗，并與模擬結果進行了對比，如圖17所示。選用壓電式壓力傳感器Y1001型，靈敏度為0.1 pC/KPa，量程為0～30 MPa，非線性小于1%FS，如圖16為其傳感器安裝位置。

圖15 壓力腔中取點的位置

圖16 壓力腔壓力傳感器的安裝

圖17 壓力腔模擬結果與實驗數據曲線

3.4 結果分析

1) 圖11所示不同時刻部分局部流體壓力云圖表明，后坐時遠離活塞區的流體壓力分布比較均勻，非工作腔始終處于低壓狀態，活塞運動對附近流體產生“吸引”作用，AP1周圍出現負壓區域，隨流動時間的增加而增加。在阻尼通道AP3有較大的壓力梯度，且出口出現負壓。工作腔壓力分布比較均勻。

2) 從圖12(a)所示的流線圖表明，由于阻尼通道強烈的節流作用，流道內壓力下降而流速急劇上升，在出口處形成淹沒射流。兩股射流碰撞、交匯，由于引射作用，形成漩渦。流動類似于高雷諾數的二維后向臺階流，可以看出在兩個較大臺階附近均形成漩渦，漩渦中心形成負壓。除此之外在阻尼通道附近還有3個小漩渦。從圖12(b) 所示的流線圖表明，在工作腔靠近間隙的流體流線彎曲，說明流動變化較大而遠離活塞的地方流線分布均勻，近似于層流。

3) 由圖13所示的粘度云圖可知，在被磁化的區域，遠離阻尼通道中心線的流體磁流變液剪切速率較高，粘度較小。而在中心的流體剪切速率較小，軸線附近幾乎為零，此時流體粘度很大表現為剛體的特性。對比圖18這符合該阻尼器的流動工作模式[10]，一定程度上說明使用的粘度模型和本次仿真的準確性。圖14說明當0.17 s后坐停止時，激活區域非激活區流體粘度相差很大，體現了MRF的流變特性。激活區的磁流變液表現出剛體特性其流速幾乎為零，起到“關門”作用。而在非激活區，流體由于慣性仍繼續有較小的流動但受到“門”的阻礙，所以在碰撞后形成兩股小繞流。

圖18 流動模式示意圖

4) 圖17表明仿真誤差在7%之內，在加速階段效果較為理想，但在峰值和降速階段有誤差。誤差之所以產生，可能是因為在模擬時，對結構簡化造成。

3.5 各電流下MRD阻尼力與時間關系

模擬相同的沖擊載荷，不同電流下工作腔與非工作腔的阻尼器工況，得出壓力曲線。通過壓強-力公式在Tecplot中得出阻尼力與時間曲線，如圖19所示。

圖19 阻尼力-時間曲線

從圖19可以看出，阻尼力的峰值隨著電流的增加而增加，而工作時間隨著電流的增加而減小。這是因為隨著電流的增大，粘度增大，流體對活塞的阻尼力增大。

4 結論

1) 通過瞬態模擬對阻尼器內部流體的各項參數動態監測和控制，不僅可以節約實驗成本，也有助于深入研究阻尼器的工作特性和磁流變液的粘度模型。

2) 文中提出的將UDF和基于區域整體相結合的模擬方法能夠反映阻尼器內部實際流動特征和流動細節，對磁流變阻尼器的CFD瞬態模擬有參考意義。