高沖擊載荷作用下平面式電渦流阻尼器特性數值模擬研究

2022-01-27 14:16:00高欽和劉志浩劉大偉

振動與沖擊 2022年1期

黃通，高欽和，劉志浩，劉大偉

(火箭軍工程大學導彈工程學院，西安 710025)

火炮、導彈等武器裝備由于在發射過程中產生巨大的沖擊載荷，不利于發射平臺的穩定和射擊精度的提高。傳統的液體氣壓式制退機通過提供液壓阻力制動可以達到平緩后坐力，降低后坐阻力峰值的效果，但是由于理論假設的近似性和制造裝配誤差的不確定性，結構較為復雜的液體氣壓式制退機難以達到理想后坐阻力曲線的平臺效應，國內外研究學者針對這一問題，提出了多種技術方案[1]。

電渦流阻尼技術由于在阻尼產生過程中初級與次級不發生接觸，具有磨損小、結構簡單、便于控制等優點，在振動控制、橋梁建筑和列車制動等領域得到了廣泛應用[2-5]。其中，陳政清等[6-8]建立了平面式電渦流阻尼器有限元模型，分析了各設計參數對阻尼比的影響；汪志昊等[9-10]基于性能測試和有限元分析，發展和完善了平面式電渦流阻尼器的磁路優化設計。電渦流阻尼技術在火炮后坐制動中的應用研究在國內也已經開展，但主要集中在圓筒形結構方面的研究，其中，李子軒等[11]研究分析了火炮發射載荷下圓筒形電渦流阻尼器的阻尼特性；黃通等[12]研究分析了圓筒型電磁阻尼器在沖擊載荷作用下的動力學特性，但存在結構尺寸和質量過大的問題。

本文針對平面式電渦流阻尼器在發射沖擊環境中的應用，建立了高沖擊載荷作用下平面式電渦流阻尼器二維數值仿真模型，重點分析了永磁體和磁靴結構尺寸、導電層和導磁層厚度以及氣隙間距對阻尼力的影響，進而探究了沖擊環境中去磁效應現象的影響特性，研究結果可為平面式電渦流阻尼器在沖擊環境中的應用提供支撐和參考。

1 數值仿真模型

1.1 物理模型

電渦流阻尼器的種類多樣，按照結構形式區分一般可以分為圓筒式、圓盤式和平面式。某型平面式電渦流阻尼器物理模型如圖1所示，該型平面式電渦流阻尼器屬于被動式電渦流阻尼器，磁源為永磁體，主要是由定子板和動子塊兩部分組成，其中，定子板由銅質導電板和鐵質導磁板組成，定子塊由磁靴及永磁體組成，永磁體的布置采用相鄰永磁體充磁方向相反的陣列方式。

(a) 導電板上的渦流

(b) 永磁體上的磁力線圖1 平面式電渦流阻尼器物理模型Fig.1 Physical model of the planar eddy current damper

當動子塊與定子板發生相對運動時，根據電磁感應原理，銅質導電板中會產生電渦流，進而激發出與動子塊運動方向相反的作用力，阻礙動子與定子的相對運動。從能量的角度考慮，動子運動的機械能首先轉化為銅質導電板的電能，并最終轉化為阻尼熱能進行耗散。影響平面式電渦流阻尼器磁阻尼特性的因素主要為磁場強度和渦流強度。盡管平面式電渦流阻尼器的相關理論研究已經取得了一定的進展[13]，但其研究成果通常具有較強的針對性，本文采用電磁場有限元分析來研究高沖擊載荷作用下的平面式電渦流阻尼器磁阻尼特性。

1.2 數值模型

本文選用Ansoft Maxwell電磁學有限元軟件建立平面式電渦流阻尼器二維有限元模型如圖2所示。在Model Depth中通過設置二維模型厚度，以模擬模型實際結構尺寸。并利用pwl函數輸入發射載荷作用的高沖擊載荷。該數值模型各部件的材料如表1所示。

圖2 平面式電渦流阻尼器二維局部網格模型Fig.2 Mesh model of the planar eddy current damper

表1 數值模型各部件材料Tab.1 Material of the numerical model parts

為進一步驗證模型的準確性，通過不斷的加密數值模型的網格數量提升網格質量，表2為7組數值模型的網格數量。通過對這7組不同網格質量的數值模型進行仿真計算，得到如圖3所示的動子塊速度曲線，可以發現，隨著數值模型網格質量的不斷提升，當網格數量超過376 462個時，動子塊速度曲線逐漸趨于穩定。為節省計算時間，本文選擇網格數量為631 586個的mesh-4網格剖分模式。

1.3 數值計算

圖4為發射時產生的沖擊載荷，圖5為高沖擊載荷作用下的平面式電渦流阻尼器動力學特性，可以看出，該平面式電渦流阻尼器能夠滿足安全制動某型火炮發射時產生的高沖擊載荷。同時，平面式電渦流阻尼器的磁阻尼力在高速運行階段出現了與文獻[11]和文獻[13]一致的阻尼削弱現象。這是因為隨著動子塊速度增大時，電渦流產生的感應磁場對永磁體主磁場的削弱作用增大和感應趨膚效應而引起的，由于本文研究平面式電渦流阻尼器在沖擊環境中的應用，故需要對高速制動段的磁阻尼影響因素進行詳細分析。

表2 數值模型網格數量

圖3 不同網格質量的動子塊速度曲線Fig.3 Speed curves of different mesh quality

圖4 發射時沖擊載荷曲線Fig.4 Impact load curve during launch

圖5 沖擊載荷作用平面電渦流阻尼器動力學特性

2 參數影響分析

2.1 永磁體結構尺寸

磁阻尼力受磁場強度的影響較大，而永磁體結構寬度和厚度對磁場強度有著直接的影響。平面式電渦流阻尼器結構尺寸參數如表3所示。

表3 平面式電渦流阻尼器結構參數

圖6為不同永磁體寬度的磁阻尼曲線，隨著永磁體寬度的增加，磁阻尼力隨之增加，這是因為寬度的增加，增大了永磁體主磁場的磁場強度，但永磁體寬度的增加也增大了整個動子塊的質量，為了量化表述動子塊質量對磁阻尼力的影響，設定阻尼削弱后的磁阻尼穩定段均值與動子塊質量之比為阻尼質量分配比

(1)

式中:Fsta為磁阻尼穩定段均值;m為動子塊質量。

同時，隨著永磁體寬度的增加，高速階段的阻尼削弱現象越來越明顯。在沖擊載荷制動過程中，這種阻尼突然削弱的現象不利于制動的穩定性，為了量化表述阻尼削弱現象的大小，設定高速運行階段阻尼凹陷處的磁阻尼力與磁阻尼峰值之比為峰值跌落比

(2)

式中:Fmax為磁阻尼峰值;Fval為凹陷處磁阻尼力。

如圖7所示，隨著永磁體寬度的增加，峰值跌落比和阻尼-質量分配比均呈現出下降趨勢，這表明永磁體寬度增加雖然能夠提高磁阻尼力，但是單位質量提供的磁阻尼力下降，永磁體的質量利用率降低。峰值跌落比也由88.5%下降為72.4%，峰值跌落更大。

圖7 不同永磁體寬度的磁阻尼特性Fig.7 Damping characteristics of different permanent magnet widths

圖8為不同永磁體厚度的磁阻尼曲線，隨著永磁體厚度的增加，磁阻尼力隨之增加，這是因為厚度的增加，增大了永磁體磁動勢。由圖9可知，同一磁靴厚度條件下，不同永磁體厚度的磁阻尼峰值跌落比主要維在83.5%左右，同時存在先降低后增大的趨勢，而阻尼-質量分配比則呈現出先增大后減小的趨勢，在厚度為30 mm時達到最大。永磁體厚度增加不僅能夠有效提高磁阻尼力，對峰值削弱現象的影響也較為平穩。在質量增加相同情況下，相比于增大寬度，增大永磁體厚度更為有利。

圖8 不同永磁體厚度的磁阻尼曲線Fig.8 Damping curves for different permanent magnet thickness

圖9 不同永磁體厚度的磁阻尼特性Fig.9 Damping characteristics of different permanent magnet thickness

2.2 磁靴結構尺寸

圖10為不同磁靴厚度的磁阻尼曲線，可以看出，隨著磁靴厚度在一定范圍內增加，磁阻尼力峰值跌落后的平穩段幅值變化不大。這是由于在永磁體結構尺寸一定時，磁場強度確定，磁靴導磁性能趨于飽和，磁靴厚度從6 mm增大到14 mm時對導磁性能影響不大，而當磁靴厚度增大到26 mm時，磁靴導磁性能不飽和時，磁阻尼力開始出現較為明顯的波動變化。圖11為不同磁靴厚度的磁力線分布，磁極相對的相鄰永磁體磁力線同時導入磁靴當中，并相互排斥，從磁靴兩端導出進入氣隙，當磁靴厚度較大時，相鄰永磁體的磁力線斥力減小，使得垂直進入氣隙的磁力線減小，磁阻尼力下降。

圖10 不同磁靴厚度的磁阻尼曲線Fig.10 Damping curves of different magnetic boots thickness

(a) 磁靴厚度z=10 mm

(b) 磁靴厚度z=36 mm圖11 不同磁靴厚度的磁力線分布Fig.11 Magnetic field distribution of different magnetic boots thickness

2.3 導磁板厚度

圖12為不同導磁板厚度的磁阻尼力曲線，有無導磁板的磁阻尼力相差較大，而導磁板的厚度變化對磁阻尼力的影響不大，在導磁板厚度超過2 mm后，磁阻尼力即趨于穩定。這是因為鐵質導磁板為軟磁性材料，其最大磁導率較高，磁阻較小，使得磁力線向銅質導電板的外側匯聚，極大增加了銅質導電板的磁感應強度。而當導磁板厚度超過一定值后，導磁板對永磁體的主磁場的導磁效果開始趨于飽和，導磁板厚度影響趨于穩定。

圖12 不同導磁板厚度的磁阻尼曲線Fig.12 Damping curves of different permeable plate thickness

圖13為不同導磁板厚度的銅質導電板上的x方向和y方向的磁通量，其中，x方向為垂直于導電板方向，y方向平行于導電板方向。由電磁感應原理可知，磁阻尼力主要與垂直于導電板方向的磁通量有關。從圖12可以看出，無導磁板時x方向的磁通量小于有導磁板時x方向的磁通量，導磁板厚度超過2 mm后x方向的磁通量快速升高，并逐漸趨于穩定。同時y方向的磁通量快速降低，也趨于穩定。

圖13 不同導磁板厚度的導電板磁通量

2.4 導電板厚度

圖14為不同導電板厚度的磁阻尼曲線，當導電板厚度從0增加到0.6 mm時，磁阻尼力逐漸呈比例增大，這是因為在這一階段導電板厚度的增加，使得渦流區的厚度增加，渦流強度增加引起了磁阻尼力的呈比例增大。當導電板厚度從0.8 mm增加到2.0 mm時，磁阻尼力的阻尼削弱現在逐漸明顯，峰值跌落比明顯增大，這是因為隨著渦流強度的繼續增加，渦流產生的感應磁場對永磁體主磁場的削弱作用也隨之增大。圖15為1.0 mm厚度的導電板在不同時刻的磁感應強度，在動子塊加速階段，導電板的磁感應強度開始增大，在6.5 ms速度最大點時，導電板的磁感應強度達到最大，引起這一時刻以后的阻尼力開始削弱，直至14 ms磁阻尼跌落點時，導電板的磁感應強度減小，磁阻尼力開始回升，在動子塊減速階段，導電板磁感應強度逐漸平穩。

圖14 不同導電板厚度的磁阻尼曲線Fig.14 Damping curves of different conductive plate thickness

圖15 不同時刻導電板磁感應強度

2.5 氣隙間距

圖16為不同氣隙寬度的磁阻尼曲線，可以明顯看出，隨著氣隙間距的增大，磁阻尼力減小，氣隙間距微小的變化，也對磁阻尼力造成較大影響，并且氣隙間距還與阻尼器各部件的加工工藝、工裝誤差等因素密切相關，需要在設計時綜合考慮。相關試驗研究也認為，為了提高電渦流阻尼器工作效率，在保證所需安全條件時，應當盡可能的減小氣隙間距。