某磁流變減振器活塞桿靜力學分析

龔光超 汪帆 談蕓蕓 尹宗軍 蘇蓉 周曉國

摘 要：磁流變阻尼器具有簡單的結構，消耗能量低，可控可逆等優點，可以應用到汽車的懸架系統中，使得汽車行駛的安全性和舒適性得到很大的提高。文章在CATIA中繪制模型，然后將其導入到ANSYS workbench工作臺中，然后設置材料、網格，選擇接觸點，施加載荷，最后對模型進行有限元仿真分析。經過分析可得磁流變減振器活塞桿因外力產生的應力均在材料的屈服極限之內，滿足強度設計要求。

關鍵詞：磁流變減振器;有限元分析;應力云圖

中圖分類號：U463.33+5.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-138-03

Finite Element Analysis of Diaphragm Spring of Dry-type Double Clutch*

Gong Guangchao1， Wang Fan1， Tan Yunyun1， Yin Zongjun1， Su Rong1，2， Zhou Xiaoguo1*

（ 1.Anhui Institute of Information Technology， School of Mechanical Engineering， Anhui Wuhu 241100;

2.Anhui Institute of Information Technology， Office of the Principal， Anhui Wuhu 241100 ）

Abstract： MR damper has the advantages of simple structure， low energy consumption， controllability and reversibility. It can be applied to the suspension system of the vehicle， which greatly improves the safety and comfort of the vehicle. In this paper， the model is drawn in CATIA， and then it is imported into the ANSYS Workbench. Then， the material and mesh are set， the contact point is selected， and the load is applied. Then the finite element simulation analysis of the model is carried out. The results show that the stress of the piston rod of MR damper is within the yield limit of the material， which meets the strength design requirements.

Keywords： MR damper; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U463.33+5.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-138-03

前言

磁流變液從上個世紀九十年代開始進入科學家的視野?？茖W家們發現磁流變液不但具有隨磁場強度的變化而變化的特點，它還具有可控，可逆等諸多優良性質[1]。他們還發現，磁流變液在不受外加磁場的作用時，其狀態是成自由狀態分布的，磁性顆粒不會粘在一起，呈現流體的狀態;當此時施加一個磁場，磁性顆粒就會立刻被磁化，相互吸引聚集，形成鏈狀或者柱狀，呈現類固體狀態[2]?？茖W家們利用這種性質，研究出的磁流變式減振器可以通過改變外加磁場的強弱，來達到控制阻尼力的目的[3]。從而擺脫傳統減振器結構尺寸大，能量消耗大，控制效果差，結構復雜笨重，不易更換不可逆的問題，使得懸架系統的性能有了較大的改變[4]。

易成建[5]用有限元軟件ANSYS建立了磁流變液的單鏈力學模型，考慮顆粒的非線性磁化及磁化飽和過程。蘇會強[6]從磁流變液本構關系出發，設計了一種回轉式阻尼器，建立了磁流變旋轉阻尼器阻尼力矩的計算模型，并用ANSYS 9.0軟件對其磁場分布進行了仿真。李軍強[7]應用基于單元邊法的Solid117單元建立了阻尼器的有限元模型，進行了三維靜態非線性電磁場分析。本文以某磁流變減振器活塞桿為研究對象，對阻尼器力學性能進行預估，研究活塞桿力學性能。

1 磁流變減振器有限元分析模型

1.1 磁流變減振器活塞桿受力分析

為了增加阻尼器的阻尼力，在阻尼器的上，下端分別設有阻尼通道和帶電線圈。其結構如圖1所示。當我們把流變式減振器的活塞桿拉伸時，活塞和活塞桿帶動活塞上部回收腔中的磁流變流體向上流動。當流變液體被壓入阻尼通道，進入內，外缸之間的補償腔，然后通過下端的環阻尼通道流入活塞下方的壓縮腔。類似的，當磁流變式減震器的活塞桿處在向下壓的過程時，液體流動方向相反。

在拉伸和壓縮沖程期間，當磁流變流體流過上，下環阻尼通道時，壓力下降，從而在活塞上，下端的回收腔和壓縮腔之間產生壓差。壓差的大小恰好反映了磁流變阻尼器的阻尼力。其三維圖如圖2所示。

阻尼力計算方法：工作間隙h=0.6mm，工作缸內徑D4= 36mm，活塞外徑D2=30mm，活塞桿直徑D1=20mm，y= 30～50kpa，速度：0.05m/s、0.1m/s和0.3m/s代入公式（1）中。

（1）

減振器的表觀粘度值為0.27pa*s，理論阻尼力計算值如表1所示。

1.2 幾何模型建立

1.2.1 繪制活塞桿

在CATIA的草圖界面中繪制活塞桿的二維草圖。首先繪制一個直徑為28mm的圓，返回拉伸界面，通過凸臺拉伸實體，將拉伸高度設置為233mm，然后選擇拉伸凸臺的任何面以在草圖界面中繪制，然后拉伸將Boss返回拉伸界面，重復上述操作，直到整個活塞桿的3D模型被拉伸如下圖3所示。

1.2.2 模型導入

首先，在未保存的項目工作臺窗口中，選擇靜態結構命令：選擇幾何，右鍵單擊該命令，選擇導入幾何，然后選擇瀏覽。選擇要導入的模型，然后可以生成模型，雙擊模型，如下圖4所示。

1.3 材料模型的建立

本文磁流變減振器活塞桿材料選取的是Q235-A。假設其材料為各向同性材料，其選取材料參數如下表2所示。

1.4 初邊界條件的確定及網格劃分

阻尼力根據以下公式（1）計算。磁流變式減震器活塞桿作用力F=1262N。自動網格劃分中有5043個活塞桿節點，2759個元素單元和5mm的網格尺寸。在固定結構中增加力：固定的支撐結合力作用在墊圈的底面上，因此活塞桿的底面不能在任何方向上移動;外部壓力作用在活塞桿和其他緩沖系統之間的接觸部分上，均分外部壓力，壓力為F=1262N。

2 減振器活塞桿計算結果分析

將分析結果添加到解決方案中，包括等效彈性應變，等效應力和總變形，然后求解。

根據變形云圖的顏色，活塞桿的最大變形值為0.495mm，該值出現在活塞桿的頂部，并且活塞桿其他部分的變形從頂部到底部的過渡較小，如圖6所示。根據圖7，活塞桿的主應力集中最大值為1.969Mpa。通過最大值和最小值的圖標，可以準確地確定最大值/最小值的位置。

4 結論

汽車懸架性能是決定車輛品質的重要特性，它影響著汽車的乘坐舒適性、操縱穩定性以及行駛安全性。磁流變減振

器由于響應速度快、魯棒性好、低能耗以及易控制等特點，成為了當下人們研究的熱點。本文在CATIA中繪制模型，然后將其導入到ANSYS workbench軟件進行分析，其流程包括：模型、材料設置、添加邊界條件（包括夾具設置和載荷設置）、劃分網格、結果分析。結果表明：（1）活塞桿的最大變形值為0.495mm，該值出現在活塞桿的頂部;（2）活塞桿的主應力集中最大值為1.969Mpa，遠小于材料的屈服應力。

參考文獻

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[3] 李以農，潘杰鋒，鄭玲.磁流變阻尼器的有限元參數優化設計[J].重慶大學學報， 2010（05）：35-40.

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[6] 蘇會強，鄭堤.回轉式磁流變阻尼器的設計與有限元分析研究[J]. 2007.

[7] 李軍強，臧希喆，趙杰.基于有限元法的磁流變阻尼器三維仿真研究[J].系統仿真學報，2009（17）：342-344+349.