溫度影響下磁流變阻尼器的力學性能研究

吳贊翊

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

磁流變液(MRF)是一種力學特性隨外加磁場變化而瞬時發生變化的新型智能材料，主要成分是軟磁性顆粒、基載液和一些添加劑。在外加磁場下，磁流變液的流變特性轉化為類固體性質的流體，且轉化速度非常快，在ms級。磁流變阻尼器是一種以磁流變液為載液的新型阻尼器，具有阻尼力大、響應快、阻尼力連續可控等優點[1]。

磁流變液的力學特性與溫度密切相關。磁流變阻尼器運作過程中的液體黏性耗散與線圈長時間通電的發熱會使溫度上升，導致磁流變液黏度與屈服應力變化，從而影響阻尼力的輸出性能和阻尼器的正常工作。因此有必要探究溫度變化對磁流變阻尼器力學性能的影響。WANG D M等[2]對自行制備的磁流變液在不同溫度下測試得到黏度降低71.6%，屈服應力降低11.52%。胡海剛等[3]對磁流變阻尼器測試了溫度對阻尼力的影響，驗證了溫度效應下的Bouc-Wen模型能夠描述不同溫度下的阻尼特性。

本文針對溫度對磁流變阻尼器力學性能影響問題，使用磁流變阻尼器溫度特性測試實驗系統對不同溫度下阻尼器進行測試，并通過實驗結果與溫度影響下Herschel-Bulkley模型來探究溫度影響下的磁流變阻尼器的力學性能。

1 磁流變阻尼器結構設計及原理

本文使用的磁流變阻尼器結構示意圖如圖1所示。

1—外筒；2—銅線圈；3—活塞；4—間隙通道；5—螺塞；6—堵頭；7—基液腔。圖1 間隙式阻尼器結構

磁流變阻尼器內部的磁流變液在磁場作用下會呈現強屈服應力，內部附加磁場由兩個纏繞在中間活塞上的通電銅線圈產生。磁場覆蓋的區域稱之為激活區，而磁場沒有覆蓋區域稱為非激活區。因此這種設計可以通過外部改變電流的方式，來控制磁流變阻尼力的大小。

2 磁流變阻尼器溫度影響分析

2.1 磁流變阻尼器流動力學模型

在描述磁流變液力學特性上，大部分文獻常常使用簡單的Bingham模型來描述，但該模型不能體現剪切率變化下剪切稠稀化現象，而引入流體行為指數的Herschel-Bulkley模型能解決這個問題。

Herschel-Bulkley本構方程為

(1)

建立平行板流動模型，平行板流口磁流變液流動速度分布圖如圖2所示。

圖2 平行板流口磁流變液流動速度分布圖

流過平行板流口流量Q計算公式可表示為

(2)

式中：v0為活塞桿速度；Ap為活塞橫截面積；Ar為活塞桿橫截面積；R1和R2分別表示活塞桿外半徑和外筒內半徑；h=R2-R1，表示間隙寬度；u為流速；z表示軸向坐標。

流口兩端壓力差ΔPa可表示為

(3)

由式(2)與式(3)可推出無量綱塞流厚度滿足[4]

(4)

其中Bi為廣義賓漢數，表示為

(5)

其中τ0與磁感應強度B相關。由Ansys Maxwell軟件的電磁場仿真后擬合可得到B與I的關系為

B=17.86I3-187I2+686.2I-25.94

(6)

激活區的庫侖阻尼力Fa可表示為

Fa=(Ap-Ar)ΔPa

(7)

非激活區的黏滯阻尼力Fu可表示為

(8)

阻尼力由激活區與非激活區共同構成。式中L為流口間隙總長度。磁流變阻尼器尺寸參數如表1所示。

表1 磁流變阻尼器尺寸參數

2.2 溫度對阻尼力影響分析

由式(7)-式(8)可以看到，磁流變阻尼器的阻尼力主要由黏度、屈服應力、剪切速率與磁感應強度決定。為了探究磁流變液的黏溫特性，磁流變液的黏度與溫度之間關系，可以通過Reynolds提出的黏溫方程公式[5]進行擬合，關系表示為

K(T)=Ae-BT

(9)

式中：K為磁流變液黏度；T為溫度；A、B為擬合常數，其中A、B>0。

溫度對屈服應力的影響可用τy(B)的指數衰減函數捕獲。根據Arrhenius方程及屈服應力與磁場之間的關系[6]，溫度對屈服應力影響可以描述為

τ0(B,T)=C·Bm·e-DT

(10)

式中T為溫度；C、m、D為擬合常數，其中C、m、D>0。

根據式(9)與式(10)，溫度影響下Herschel-Bul-kley模型的本構方程可以表示為

(11)

溫度影響下非激活區黏滯阻尼力表示為

(12)

溫度影響下激活區庫侖阻尼力表示為

(13)

3 溫度特性測試實驗與結果分析

3.1 實驗準備

為對磁流變阻尼器溫度特性進行測試實驗，自行設計和搭建了一套測試系統，通過電動缸與定制的控制采集系統設備實現對阻尼器活塞桿傳力與數據采集，再由LP3005D型直流穩壓電源對線圈輸入穩定電流。阻尼器載液選用某研究院生產的MRF-J25T型磁流變液，再結合溫控裝置對阻尼器進行溫度控制，阻尼器在溫控裝置中達到目標溫度后，在該溫度下保持2 h以后再進行測試。通過該系統測試不同電流、不同溫度下的阻尼力變化情況。磁流變阻尼器實驗設備如圖3所示。

圖3 磁流變阻尼器實驗設備

3.2 實驗結果及分析

研究溫度效應下磁流變阻尼器流變特性，需要對不同溫度下的阻尼器進行溫度特性測試。因此實驗條件是以-30 ℃、-15 ℃、0 ℃、15 ℃、30 ℃5個等溫度區間為測試工況來表征磁流變阻尼器的溫度效應，在20 mm/s速度條件下通過直流電源分別施加0 A、0.5 A、1.0 A、1.5 A、2.0 A、3.0 A的固定電流。實驗結果如圖4所示。

圖4 -30 ℃下1.0 A電流采集結果

由圖4可以看到，在推動過程中，開始與結束的阻尼力較穩定時偏大，這是因為活塞桿運動速度突然轉向會產生一定的慣性阻尼力。因此取阻尼力穩定時的平均值作為測量數據，可以得到圖5所示測量結果。

圖5 阻尼力溫度特性實驗測量結果

從圖5中可以看到，隨著溫度的不斷升高，對應施加不同電流的阻尼力都有不同程度的降低。0 A電流時阻尼力變化并不大，這是由于阻尼器存在內摩擦力，而不加電流情況下內摩擦力相比黏滯阻尼力較大，因此阻尼力變化不明顯。通過不加電流且極低速情況下測量得到阻尼力約為313 N，估計該值為內摩擦力，測量值減去該值即為實際值。

在電流為0 A的情況下，溫度從-30 ℃～30 ℃的變化過程中平均阻尼力的衰減幅度大約在25%。而在電流為0.5 A時，阻尼力的衰減幅度就下降到了10.9%。當電流分別為1.0 A、1.5 A、2.0 A、3.0 A時，在溫度變化過程中平均阻尼力的衰減幅度分別為10.10%、9.50%、9.16%、9.18%。因此可以看出，在施加電流后，磁流變阻尼器阻尼力的大小受溫度變化影響減弱。主要原因在于當未給通電線圈施加電流時并沒有磁流變效應，磁流變阻尼器的阻尼力主要來自于油液的黏滯阻尼力與內摩擦力，因此溫度升高時黏度降低導致黏滯阻尼力減小。但是在施加電流之后，庫侖阻尼力在總阻尼力中占比更大，而庫侖阻尼力的大小主要取決于磁感應強度而受溫度影響相對較小，因此溫度升高對阻尼力的影響力相對下降。

3.3 模型參數辨識與分析

溫度影響下描述力學特性Herschel-Bulkley數學模型具有待辨識參數A、B、n、C、m、D，將實驗測得數據與數學模型通過基于粒子群算法的參數辨識方法，辨識后得到結果如表2所示。

表2 模型參數辨識結果

為了驗證該模型的正確性，通過模型仿真與實際測量數據進行對比來驗證模型的預測情況。圖6為實驗值與仿真值的對比。從圖中可以看出，該模型可以很好地描述不同電流和不同溫度下的磁流變阻尼器的力學性能。電流從0 A增至2.0 A時，阻尼力變化最大，此時磁感應強度增加較快，而當電流超過2.0 A時，屈服應力增速趨于平緩，此時磁流變液接近磁飽和狀態。

圖6 磁流變阻尼器模型仿真驗證

通過辨識結果，可以得到溫度變化下阻尼器內MRF-J25T磁流變液黏度曲線與屈服應力曲線，分別如圖7與圖8所示。

圖7 磁流變液黏度辨識結果

圖8 不同電流下屈服應力辨識結果

可以看到溫度從-30 ℃～30 ℃之間，磁流變液黏度下降了25%，并且屈服應力也在不同電流時都有下降，下降比例約為8.5%，明顯看出磁流變液黏度相比屈服應力有更大程度的降低。

4 結語

本文研究了不同溫度下磁流變阻尼器力學性能的變化，在建立了溫度影響下Herschel-Bulkley的修正模型后，通過該模型與實驗結果分析了溫度對黏度與屈服應力的影響。結果表明，溫度對黏度和屈服應力影響十分明顯。將實驗結果對模型參數進行辨識，驗證了模型在不同溫度下描述阻尼力的準確性，為今后不同溫度下磁流變阻尼器的應用提供了參考。