基于磁流變液阻尼器的拉力器磁路分析

戴畸哲++龔瑤++王富山++王凱++李趙春

摘 要：磁流變材料作為一種新興的智能材料，因其具有良好的磁流變效應，而越來越受到學者的關注。根據磁流變效應設計的磁流變液阻尼器具有結構緊湊、功耗低、阻尼力大、動態范圍廣、響應速度快等特點，其阻尼力可通過調節外加磁場大小來控制，在工程上有廣泛的應用前景。傳統拉力器存在材料種類單一、拉伸倍數小、體積大、使用壽命短、重量大、難拆卸、不易攜帶等缺點。該文主要針對磁流變液阻尼器的磁路結構，利用MAXWELL軟件進行磁路仿真。分析了活塞結構的變化對磁流變液阻尼器磁場分布的影響，為磁流變液阻尼器應用于拉力器的結構設計提供了依據。

關鍵詞：磁流變液 阻尼器 拉力器 磁路仿真

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0018-02

傳統拉力器的主要原理是通過彈簧的伸縮而產生一定大小的力，而這種拉力器存在材料種類單一、拉伸倍數小、體積大、使用壽命短、重量大、難拆卸、不易攜帶等缺點。磁流變液是由微米級的可磁化顆粒均勻分散在特定載體母液和添加劑中所形成的特殊懸浮體系。在外加磁場作用下，表現出非牛頓流體的特性，在毫秒級時間內從自由流動的液體轉變為半固體甚至固體，呈現出強烈的可控流變特性。近年來，磁流變液的可控流變特性逐漸被應用于建筑結構、機械系統、車輛工程和武器系統等眾多重要領域[1-2]。根據磁流變效應設計的磁流變液阻尼器具有結構緊湊、功耗低、阻尼力大、動態范圍廣、響應速度快等特點，其阻尼力可通過調節外加磁場大小來控制，在工程上有廣泛的應用前景[3-6]，具有傳統機械彈簧不可比擬的優點。磁流變阻尼器的控制方法，是影響磁流變阻尼器應用效果的關鍵因素之一，目前已成為磁流變技術領域備受關注的問題之一，取得了許多有益的研究成果。該文在傳統彈簧拉力器的基礎上采用磁流液阻尼器部分替代機械彈簧的方法對拉力器的結構進行了改進設計，并對該模型的設計用MAXWELL軟件對所設計的磁路進行仿真，分析了磁場分布。理論分析及仿真結果表明拉力器的結構尺寸對磁路的分布有較大影響，為磁流變液阻尼器的結構設計與性能改善提供了依據。該文重點探討該設計模型的磁路形成，這對以后的磁流變液阻尼器應用于醫療器材設備具有參考價值。

1 磁路仿真模型的建立

模型設計尺寸初步符合阻尼力等設計要求，但磁場規律是否符合設計要求，需要進一步的驗證。對此，我們采用MAXWELL磁路分析軟件進行磁路仿真。

應用MAXWELL軟件進行磁路仿真首先需要建立幾何模型，圖1為根據表1的數據所建立的外形幾何模型。

在進行磁路仿真分析運行之前需要對所建立的幾何模型所用的材料進行屬性定義，且需要加上一定的電流作為激勵，這是產生磁場的必要條件。當然，線圈匝數等參數的設定也作為運行前必不可少的條件，這將影響著磁感應強度的大小。

2 磁路仿真結果與優化

磁路仿真的結果反映在磁力線和云圖上，不同的顏色表示不同的磁場強度。圖2為初步模型的磁力線和云圖。

觀察初步模型的磁力線及云圖，基本符合磁場規律，但最大磁場強度B并沒有達到設計的理想值。對此，我們需要對此模型外形尺寸進行第二輪的優化，由于優化外形尺寸始終不能阻尼力大小的設計要求，即要在滿足設計要求的情況下優化尺寸再來檢驗磁場強度。此時就會用到之前所做的尺寸數據設計程序界面，提高優化效率。表2是最終優化后的尺寸數據。

表2的尺寸數據經過反復優化建模后，得到如圖3（a）、（b）所示的磁力線以及云圖。從圖中可以看出，鐵芯部分的磁感應強度已經達到飽和。至此，磁路仿真基本達到設計目的。

3 結語

該文旨在探究利用磁流變液應用于拉力器設計的磁場規律，以及能否產生真正意義上的磁場從而達到阻尼器的效果。從磁路仿真結果來看，此模型設計基本符合磁場規律。但是，該模型的設計還沒有從醫學角度探究其結構尺寸是否符合人體臂膀張力的舒適度要求以及所用材料進一步的強度校核計算。驗證了磁流變液阻尼器在拉力器應用中的可行性，為拉力器的科學設計提供了新的思路和實現方法。

參考文獻

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