基于Fluent的盤式磁流變液制動器優化設計*

陳慶慶 劉新華

（中國礦業大學機電工程學院，江蘇徐州 221116）

磁流變液（Magnetorheological Fluids，MRF）是一種新型磁功能材料，主要由軟磁性顆粒、基載液以及為了防止顆粒沉降而包覆在顆粒表面的添加劑組成。它在無外加磁場時，表現為流動良好的牛頓流體，但在外加磁場作用下，流體的流變特性發生巨大變化，其表觀粘度可在10 ms內增加幾個數量級，并呈現類似固體的力學性質，且粘度變化是連續可逆的，即一旦去掉磁場后，又變成可以流動的液體。磁流變效應連續、可逆、迅速和易于控制的特點使得磁流變液傳動系統在航空、航天、汽車工業、液壓傳動、生物技術、醫療等領域具有十分廣泛的應用前景［1－3］。

磁流變液制動裝置引入磁流變液作為工作介質，利用磁流變液的屈服剪切應力來實現制動。在工作的過程中，磁流變液內摩擦、勵磁線圈通電后的發熱、電渦流發熱、軸承和密封處的摩擦發熱導致磁流變液的溫度升高，從而致使其粘度降低、基礎液蒸發、磁性顆粒沉淀等一系列問題，進而造成磁流變液完全失效［4－5］。楊仕清等［6］的研究表明，磁流變液的表觀粘度隨溫度升高呈現出非線性下降趨勢;張紅輝［7］對磁流變液阻尼器進行溫度試驗表明阻尼力隨著溫度升高有一定程度的下降。

制動過程引起的熱量若不能及時散去，將對磁流變液制動裝置的性能產生嚴重的影響。本文主要針對磁流變液制動器的散熱問題，對其結構進行優化，并給出優化設計流程，在保證制動力的同時，解決其散熱問題。

1 盤式磁流變液制動器結構優化

1.1 工作原理

磁流變液制動器工作原理如圖1所示［8］，在無需制動的情況下，無外加磁場，磁流變液表現為流動良好的牛頓流體;當需要制動時，加入磁場作用，磁流變液中的磁性粒子沿著磁力線方向成鏈狀分布，這種鏈狀結構使得磁流變液的屈服剪切應力顯著增大，從而產生制動力矩。

1.2 結構改進

由于溫升會對磁流變液性能造成很大的影響，必須對此加以控制。Dogruoz M B等［9］通過在磁流變阻尼器外殼上加工肋片來提高阻尼器的散熱性能，達到了一定的效果。鄭軍等［10］利用整體針翅回轉熱管有效地對傳動裝置進行散熱，且散熱能力隨轉速的提高而增大，為解決傳動裝置的發熱問題提供了一種手段。但是上述方法結構復雜，制造成本較大，因此鑒于頻繁制動間隙磁流變液表現為流動良好的牛頓流體，本文對該裝置做了如下改進，在制動盤上開兩個對稱的圓孔，可使磁流變液間隙與外界互通（圖2），從磁流變液入口處以一定的速度或壓力輸入磁流變液，循環流動以便使磁流變液在外界冷卻，從而保持間隙內磁流變液的溫度穩定，使其處于最佳工作狀態。

1.3 參數優化設計

磁流變液制動器參數優化設計主要是根據制動要求確定其結構參數和工作參數，其中制動要求包括制動力矩T、主動盤轉速ω;結構參數包括制動盤半徑R1、開孔半徑R2、開孔位置d、工作間隙h;工作參數主要是指磁流變液入口速度v。詳細的參數優化設計流程如圖3所示。

相關研究表明，磁流變液制動器的工作間隙h在1～2 mm之間最佳［11］，太小的工作間隙使加工難度增加，且磁流變液在工作間隙中的流動性不好;較大的工作間隙雖然能使磁流變液的流動性能提高，但工作間隙過大會造成間隙處磁阻增加，制動力矩下降，因此選取工作間隙h為2 mm。

制動盤半徑R1可以通過制動力矩T和主動盤轉速ω進行計算。在外加磁場作用下，可以將磁流變液看作Bingham流體，其整盤式的制動力矩T0計算公式［12］為

式中:τB為磁流變液的屈服剪切應力;η為磁流變液的粘度。

由于在制動盤上開孔，因此制動力矩有一定的損失，可取制動力矩T≈0.98T0進行計算。

開孔半徑R2、開孔位置d、入口速度v的選擇原則滿足表1。

表1 制動器基本參數條件表

結構參數計算完畢后，利用 Fluent前置軟件GAMBIT建立分析模型，并劃分網格;然后基于Fluent進行模擬，選定高精度、非穩態、SIMPLEC算法等模擬條件參數后，通過改變入口速度獲得模擬結果，從中得到最優工作參數。

2 實例驗證

為了驗證本文方法的可行性和有效性，下面通過1個具體實例來說明磁流變液制動器的優化設計過程。

本例制動要求為:制動力矩T=12 N·m，主動盤轉速ω=150 r/min。工作介質為硅油基四氧化三鐵磁流變液，其粘度η=0.33 Pa·s，磁流變液屈服剪切應力 τB=50 kPa。

2.1 結構參數計算與模型建立

根據公式（1）計算出制動盤半徑R1=50 mm，對稱開孔半徑R2=5 mm，制動盤與開孔中心距為d=35 mm。

利用 Fluent前置軟件GAMBIT建立分析模型，并對其進行網格劃分，結果如圖4所示。

2.2 基于Fluent的模擬優化

（1）模擬條件設定

為了提高模擬精度，選擇三維雙精度求解器以及非穩態模型，非定常公式選取二階隱式，操作壓力選取標準大氣壓，壓力速度耦合方式采取SIMPLEC算法。

（2）模擬計算與分析

設置不同的入口速度，模擬結果如圖5所示。

模擬結果表明:入口速度小于0.3 m/s時，渦流現象比較明顯;速度太大時，渦流現象雖然有所改善，但是較大的入口速度對設備要求較高，并且能量損失也很大。因此，選取入口速度為0.3 m/s，渦流現象最不明顯，能量損失達到最小。

3 結語

針對磁流變液制動器的散熱問題，本文對裝置結構進行優化，使磁流變液在制動間隙時采用循環流動模式，及時地將制動過程產生的熱量帶走，有效地解決了制動裝置的散熱問題;提出了制動器的優化設計流程，為解決磁流變液制動裝置散熱問題提供了新的途徑;并利用Fluent進行流場分析，發現入口速度對能量損失影響較大。

［1］Kerem Karakoc，Park Edward J，Afzal Suleman.Design considerations for an automotive magnetorheological brake［J］.Mechatronics，2008，18:434－447.

［2］Tu Diep Cong Thanh，Kyoung Kwan Ahn.Intelligent phase plane switching control of pneumatic artificial muscle manipulators with magnetorheological brake［J］.Mechatronics，2006，16:85 － 95.

［3］Park Edward J，Luis Falc?o da Luz，Afzal Suleman.Multidisciplinary design optimization of an automotive magnetorheological brake design［J］.Computers ＆ Structures，2008，86:207 －216.

［4］鄭軍.磁流變傳動理論與實驗研究［D］.重慶:重慶大學，2008.

［5］侯鵬.磁流變液穩定性的評價研究［D］.武漢:武漢理工大學，2008.

［6］楊仕清，彭斌，蔣洪川，等.復合智能磁流變液的制備及流變性質研究［J］.材料工程，2000（9）:21－24.

［7］張紅輝.磁偏置內旁通式磁流變阻尼器研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［8］楊巖，張俊乾，李輝，等.盤式磁流變液制動器的設計與分析［J］.新技術新工藝，2004（10）:33－34.

［9］Dogruoz M B，Wang E L，Gordaninejad F，et al.Augmenting heat transfer from fail－safe magneto－rheological fluid dampers using fins［J］.Journal of Intelligent Material System and Structures，2003，14（2）:79－86.

［10］鄭軍，張光輝，曹興進.熱管式磁流變傳動裝置的設計與實驗［J］.機械工程學報，2009，45（7）:305 －311.

［11］潘存治，申玉良，楊紹普.磁流變液風扇離合器的設計與試驗研究［J］.汽車工程，2005，27（2）:195 －199.

［12］劉成.磁流變液制動器的分析與設計［D］.重慶:重慶理工大學，2010.