強(qiáng) 彥， 柴銘堃， 陳奕澤， 安貞嬛， 魏列江

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050； 2.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 3.江蘇科邁液壓控制系統(tǒng)有限公司， 江蘇 南京 225000)

引言

目前，我國下肢截肢者已經(jīng)超過160萬，并且還在以超過每年1.5萬的漲幅增長[1]。假肢作為解決下肢截肢患者行動(dòng)障礙的重要康復(fù)輔具，始終是國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。以往假肢多為被動(dòng)式，采用阻尼器與電機(jī)結(jié)合的形式[2-4]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較重、響應(yīng)速度慢，無法模擬出自然協(xié)調(diào)的步態(tài)，并且患者穿戴被動(dòng)型假肢時(shí)身體也十分不適。而基于磁流變液阻尼器型假肢利用磁流變液阻尼器耗能低、阻尼力變化范圍大且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，降低了假肢耗能，并使得假肢的穩(wěn)定性有所提高。

已有部分學(xué)者利用磁流變液阻尼器設(shè)計(jì)了磁流變假肢膝關(guān)節(jié)。KIM和OH[5]利用工作于閥模式和剪切模式的開關(guān)型磁流變阻尼器作為膝關(guān)節(jié)力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款基于磁流變效應(yīng)的單軸假肢膝關(guān)節(jié)，當(dāng)磁流變液流經(jīng)阻尼器旁路的阻尼通道時(shí)，磁流變液的黏度會(huì)在外加磁場的作用下迅速發(fā)生改變，從而達(dá)到通過控制外加磁場的大小調(diào)節(jié)磁流變阻尼器阻尼力的目的，但該阻尼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；謝華龍[6]直接將四連桿機(jī)構(gòu)安裝在商業(yè)化的磁流變液阻尼器上組成磁流變假肢膝關(guān)節(jié)，雖能通過磁流變液阻尼器的半主動(dòng)控制特性幫助膝上截肢患者實(shí)現(xiàn)正常膝關(guān)節(jié)的步態(tài)軌跡，但是占用空間大，且步態(tài)穩(wěn)定性差。關(guān)新春[7]以磁流變液阻尼器為基礎(chǔ)，通過安裝電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對智能假肢膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)控制，但使用主動(dòng)型假肢行走時(shí)電機(jī)噪聲過大，引起旁人注意，且主動(dòng)型假肢消耗能源大，假肢續(xù)航能力差。綜上所述，磁流變液阻尼器應(yīng)用于下假肢已得到一定程度的研究，但現(xiàn)有磁流變液阻尼器仍然存在初始阻尼力較大、輸出阻尼力不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大等問題。

針對這一問題，首先建立磁流變阻尼器力學(xué)模型，以磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)簡單、減小初始阻尼力、輸出阻尼力范圍大且穩(wěn)定為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)模型和磁路模型，對其關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析其在磁場中的穩(wěn)定性，最終設(shè)計(jì)出針對四連桿下假肢的孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器。

1 孔隙結(jié)合式磁流變阻尼四連桿下假肢工作原理

孔隙結(jié)合式磁流變阻尼四連桿下假肢結(jié)構(gòu)如圖1所示，將孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器安裝在四連桿下假肢下方，活塞桿通過短軸與四連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)搖桿相連接，用來接受與傳遞來自人體的作用力[8-12]。

圖1 孔隙結(jié)合式磁流變阻尼四連桿下假肢結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)假肢膝關(guān)節(jié)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，活塞在人體壓力的作用下沿內(nèi)缸壁滑動(dòng)，磁流變液將在活塞與內(nèi)缸壁之間的環(huán)形間隙流動(dòng)，此時(shí)孔隙結(jié)合式磁流變阻尼器只提供黏滯阻尼力。當(dāng)假肢膝關(guān)節(jié)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)線圈中電流大小，流經(jīng)環(huán)向間隙的磁流變液流動(dòng)特性迅速發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)假肢膝關(guān)節(jié)阻尼器輸出阻尼力大小，維持人體運(yùn)動(dòng)過程中膝關(guān)節(jié)力的平衡。

2 用于四連桿下假肢的孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器力學(xué)模型與設(shè)計(jì)

2.1 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器本構(gòu)模型和力學(xué)模型

磁流變液是由不導(dǎo)磁性液體和懸于其中的導(dǎo)磁性顆粒組成，在磁場作用下其可在瞬間由流動(dòng)性能良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，且這種變化連續(xù)、可控、可逆的。磁流變液阻尼器正是利用磁流變液的這種特性來產(chǎn)生連續(xù)可控的阻尼力。在不加磁場時(shí)，磁流變液的顆粒分布是不規(guī)則的，當(dāng)施加磁場時(shí)，磁流變液的顆粒能在毫秒內(nèi)變?yōu)橐?guī)則的鏈狀分布，當(dāng)撤銷磁場時(shí)，磁性顆粒又恢復(fù)為不規(guī)則分布。按照磁流變液的流動(dòng)方式，其工作模式可分為流動(dòng)式、剪切式和擠壓式[13-14]。其中剪切式可產(chǎn)生的輸出阻尼力較小，擠壓式雖能產(chǎn)生較大的阻尼力，但黏滯阻尼力較大，為保證孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器可以輸出較大的阻尼力，同時(shí)不至于產(chǎn)生過大的黏滯阻尼力，磁流變液工作模式為流動(dòng)式。

由于磁流變液為非牛頓流體，且受到磁流變液阻尼器勵(lì)磁線圈的電感以及組成磁路的各部分渦流效應(yīng)的影響，其阻尼力與線圈電流頻率、激勵(lì)幅值和材料屬性等諸多因素有關(guān)，導(dǎo)致其阻尼力呈強(qiáng)烈的非線性。這給建立準(zhǔn)確的磁流變液阻尼器力學(xué)模型帶來很大的難度。Bingham模型[15-17]各項(xiàng)的物理意義清楚，而且模型比較簡單，因此是現(xiàn)在應(yīng)用較多的力學(xué)模型。其本構(gòu)方程如式(1)：

(1)

式中，η—— 磁流變液黏度

τ—— 磁流變液總剪切應(yīng)力

τy—— 磁流變液屈服應(yīng)力

與理想Bingham流體不同，磁流變液的屈服應(yīng)力會(huì)隨著周圍磁場的變化而變化[18-19]，因此對于磁流變液的本構(gòu)方程，磁流變液的屈服應(yīng)力實(shí)際是和周圍磁場強(qiáng)度有關(guān)的變量，采用的磁流變液是LORD公司生產(chǎn)的MAGNETORHEOLOGICALF-132DG型，其磁場強(qiáng)度和屈服應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示[20]。

圖2 MAGNETORHEOLOGICALF-132DG型磁流變液磁場強(qiáng)度與屈服應(yīng)力關(guān)系

根據(jù)Bingham模型，磁流變阻尼器的阻尼力由粘滯阻尼力、庫倫阻尼力和摩擦力組成。公式表示為：

F=Fη+Fτsgn(v)+Ff

(2)

式中，F(xiàn)η—— 黏滯阻尼力

Fτ—— 受磁場干擾庫倫阻尼力

v—— 活塞桿運(yùn)動(dòng)速度

Ff—— 摩擦力

(3)

式中，L—— 活塞長度

AP—— 活塞有效面積

h—— 磁流變液阻尼間隙

Fη=Csv

(4)

式中，Cs—— 阻尼系數(shù)

由上式可以看出，磁流變液阻尼器的阻尼力由黏滯阻尼力Fη和庫侖阻尼力Fτ組成。其中，F(xiàn)η與不受磁場強(qiáng)度影響，只和相對運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，因此不可控；庫侖阻尼力Fτ是關(guān)于屈服應(yīng)力τy的函數(shù)。

由于孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器應(yīng)用于多種步態(tài)下的四連桿下假肢，并且步態(tài)包括走路和跑步，故需要磁流變液阻尼器輸出的阻尼力較大，當(dāng)走路時(shí)所需阻尼力最大可達(dá)850 N，當(dāng)跑步時(shí)所需阻尼力最大可達(dá)到1806 N[21]，且輸出的阻尼力中忽略摩擦力，故磁流變液阻尼器的力學(xué)模型表示為：

(5)

2.2 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場上流行的磁流變液阻尼器的阻尼通道多數(shù)采用環(huán)形間隙形式[22-23]，若要改變阻尼器輸出阻尼力只能通過改變電流的方式，然而當(dāng)電流增加到一定值時(shí)，阻尼器內(nèi)部磁場達(dá)到飽和，無法繼續(xù)增大阻尼力；并且當(dāng)按照阻尼器輸出最大阻尼力所計(jì)算出的阻尼孔孔徑值，當(dāng)阻尼器未通入電流即阻尼器外加磁場為0 T時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的初始阻尼力[24-26]；而當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)步速較慢時(shí)，初始阻尼力便已超過人體所需阻尼力，造成阻尼器不能很好地跟隨人體運(yùn)動(dòng)，無法模擬出優(yōu)美的步態(tài)，患者的舒適度大大降低；故本設(shè)計(jì)采用孔隙結(jié)合式阻尼孔改進(jìn)這一缺點(diǎn)，加工阻尼孔不同孔徑大小的阻尼螺堵，當(dāng)面對不同的步態(tài)需求時(shí)，通過更換阻尼螺堵，應(yīng)對不同步態(tài)需求。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，活塞部分結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)圖

圖4 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器活塞結(jié)構(gòu)圖

由于孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器工作模式采用流動(dòng)模式，活塞桿直徑已不能單純考慮活塞桿的強(qiáng)度問題，其直徑尺寸也比剪切式和剪切閥式的磁流變液阻尼器活塞桿直徑大。初步設(shè)計(jì)取活塞桿直徑為18 mm。為減小阻尼器質(zhì)量，活塞桿采用空心結(jié)構(gòu)。其余主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 磁流變液阻尼器主要參數(shù)表

由圖2可知，磁流變液的屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度并非線性關(guān)系，隨著磁場強(qiáng)度增加，屈服強(qiáng)度不再一直增加，當(dāng)磁場強(qiáng)度為100000 A/m，其屈服強(qiáng)度為0.03 MPa，繼續(xù)增加磁場強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度增加效果不再明顯，因此選擇0.03 MPa作為屈服強(qiáng)度。并且根據(jù)LORD公司測量數(shù)據(jù)，磁流變液的黏滯阻尼系數(shù)Cs為50 N·(m/s)-1，活塞桿運(yùn)動(dòng)速度取1 m/s，磁流變液阻尼間隙暫取為0.8 mm。將以上參數(shù)代入式(5)得：

F=Fη+Fτsgn(v)=1920 N≥1806 N

孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器可輸出的阻尼力大于人體在跑步狀態(tài)下所需膝關(guān)節(jié)支撐力，因此滿足下假肢的步態(tài)要求。

2.3 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁路設(shè)計(jì)

面向四連桿下假肢膝關(guān)節(jié)的孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器應(yīng)具備能耗低、體積小、磁場強(qiáng)度可調(diào)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而，在設(shè)計(jì)孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器的磁路時(shí)，需使阻尼器內(nèi)的磁感線集中分布于磁流變液阻尼器的工作間隙中。

活塞桿在磁流變液中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其阻尼力一般是不變的。當(dāng)通入外加電流時(shí)，磁流變液的黏度改變，阻尼系數(shù)增大，從而調(diào)節(jié)阻尼力實(shí)現(xiàn)減振。因此，磁路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是阻尼力大小的直接影響因素，其對磁流變液阻尼器的工作性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。磁流變液阻尼器中的活塞、活塞桿、缸筒是阻尼器磁路的主要部件，其中活塞上導(dǎo)磁部分的尺寸和線圈匝數(shù)的確定是磁路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。磁流變液阻尼器由勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場，勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與外加電流、磁動(dòng)勢與磁通量之間的關(guān)系服從安培定律和歐姆定律，其原理可用如圖5所示的環(huán)形磁路模型來描述。其中，鐵芯橫截面積為S，磁路長度為L，線圈匝數(shù)為N，電流大小為I，磁路中磁場強(qiáng)度H視為均勻分布。

圖5 磁路模型原理圖

當(dāng)閉合回線L上任一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度H均相等，且閉合回線L上任一點(diǎn)的切線方向也完全相同時(shí)，由安培環(huán)路定律可知：

HL=NI

(6)

式中，NI—— 線圈磁動(dòng)勢

磁路因存在磁動(dòng)勢而形成磁場，磁通的大小可表示為：

(7)

式中，φ—— 磁路磁通

B—— 磁感應(yīng)強(qiáng)度

S—— 磁路平均截面積

μ—— 材料磁導(dǎo)率

N—— 線圈匝數(shù)

I—— 線圈通入電流

L—— 磁路有效長度

當(dāng)磁芯孔直徑選擇較大時(shí)，活塞桿會(huì)過早產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象[19-21]，并且會(huì)減弱磁流變液間隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，但磁芯孔直徑選擇過小又會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi)和磁流變液阻尼器質(zhì)量和體積過大。磁芯孔直徑選取中間值，取d0為9 mm，并且在設(shè)計(jì)時(shí)采取使活塞桿和磁流變液同時(shí)達(dá)到磁飽和的原則，這樣做既最大程度地發(fā)揮了材料的特性，又使材料使用最少。磁路部分結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁路部分結(jié)構(gòu)

具體設(shè)計(jì)公式如下：

φ1=φ2

(8)

式中，φ1、φ2為活塞桿、磁流變液飽和磁通。

(9)

式中，d—— 活塞桿直徑

d0—— 磁芯孔直徑

B1—— 活塞桿飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度

(10)

式中，Ld—— 導(dǎo)磁盤寬度

B2—— 磁流變液飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度

聯(lián)立式(8)～式(10)得：

(11)

磁場在穿過磁性材料時(shí)，磁性材料會(huì)對磁場產(chǎn)生阻礙作用，這種阻礙作用被稱為磁阻，用Rm來表示，單位1/H，串聯(lián)的磁通量φ處處相等，所以總磁勢表示為：

F=φRm

(12)

式中，F(xiàn)—— 磁路總磁勢

φ—— 磁路總磁通量

Rm—— 磁路中總磁阻

由于磁路中各處總磁通量相同，各部分磁阻大小和磁通面積計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器各部分磁阻

表3 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器各部分導(dǎo)磁面積

由于：

NI=φRm=BSRm

(13)

故可得：

(14)

由于活塞、缸筒、阻尼孔都應(yīng)具有良好的導(dǎo)磁性能，因此選擇10#鋼，相對導(dǎo)磁率為1200，磁流變液選擇LORD公司生產(chǎn)的MAGNETORHEOLOGICALF-132DG，勵(lì)磁線圈選擇銅制線圈。

3 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器的磁場仿真與阻尼孔孔徑對其磁場分布的影響

3.1 阻尼孔孔徑對孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁場分布的影響

影響孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)磁場分布的因素按影響程度依次排序?yàn)樽枘峥卓讖健⒋帕髯円吼ざ取⒆枘峥组L度、活塞與缸體的相對運(yùn)動(dòng)速度。因阻尼孔長度和活塞與缸體的相對運(yùn)動(dòng)速度對磁場分布的影響不如阻尼孔的直徑和磁流變液的黏度顯著，故在后續(xù)分析中未考慮阻尼孔長度和磁流變液黏度變化對磁場分布的影響。將阻尼孔直徑分別設(shè)置為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm，并給線圈加載1 A的激勵(lì)電流，得到孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器中磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨位置X變化如圖7所示。

圖7 不同孔徑下孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)部磁感強(qiáng)強(qiáng)度隨位置變化分布圖

從圖10可以看出，阻尼孔直徑越小，孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器可產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，并且最大磁感應(yīng)強(qiáng)度均產(chǎn)生在離三節(jié)線圈最近的位置，當(dāng)阻尼孔直徑為0.4 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.68 T；當(dāng)阻尼孔直徑為0.6 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.42 T；當(dāng)阻尼孔直徑為0.8 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.14 T；當(dāng)阻尼孔直徑為1 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.03 T。當(dāng)阻尼孔直徑取0.4，0.6 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.68，1.42 T，代入式(5)，計(jì)算得輸出阻尼力分別為2330，2112 N，遠(yuǎn)大于走路與跑步狀態(tài)下所需阻尼力，當(dāng)阻尼孔直徑取1 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.03 T，代入式(5)，計(jì)算得輸出阻尼力分別為951 N，小于跑步狀態(tài)下所需阻尼力，滿足走路時(shí)所需阻尼力，故走路時(shí)可選擇阻尼孔直徑為1 mm 的阻尼孔；當(dāng)阻尼孔直徑取0.8 mm時(shí)，由前文計(jì)算知輸出阻尼力為1920 N，故跑步時(shí)阻尼孔直徑確定為0.8 mm。若需要將孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器應(yīng)用在跳躍、上下樓梯步態(tài)時(shí)則需要更大的阻尼力支撐，可選擇小于0.8 mm的阻尼孔直徑的阻尼孔，替換直徑為0.8 mm的阻尼孔以提供更大的輸出阻尼力，這樣做減小了更換成本，拓寬了磁流變液阻尼器的應(yīng)用場景。

此外，當(dāng)阻尼孔的直徑一定時(shí)，隨著線圈加載電流的增大，孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度也增大，以阻尼孔直徑為0.8 mm為例，給線圈分別加載0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1 A的電流，得到不同電流下孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨位置X變化如圖8所示，可以看出當(dāng)加載電流為1 A時(shí)，孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)，并且距離線圈越近，該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，最大可達(dá)到1.2 T，并且隨著電流幅值的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加逐漸緩慢，說明不能一味通過增加電流增加孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖8 孔徑為0.8 mm時(shí)不同電流下孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨位置變化分布圖

3.2 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器的磁場仿真

為研究孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)部磁場分布情況，以孔徑為0.8 mm和孔徑為1 mm的孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器為例。孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器的工作電流為直流，因此可以通過用二維靜態(tài)磁場分析的方法建立二維靜態(tài)模型，研究不同外加電流時(shí)孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)部磁感線分布情況。在MAXWELL中首先定義分析環(huán)境為二維磁場靜態(tài)環(huán)境，對各部分設(shè)置材料如表4所示，由于MAXWELL的材料庫中不存在磁流變液，因此將磁流變液的B-H曲線導(dǎo)入軟件，并對電導(dǎo)率參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；設(shè)置完材料后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格最大邊長為0.4 mm；設(shè)置完畢后，給孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器中的三組線圈分別加載0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1 A的激勵(lì)電流。當(dāng)加載最大電流1 A時(shí)，得到孔徑為0.8 mm和孔徑為1 mm 時(shí)磁力線分布圖如圖9所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖10所示。

表4 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁場仿真材料表

圖9 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁力線分布圖

圖9表示的是孔徑分別為0.8，1 mm時(shí)磁路模型的磁力線分布情況，從圖中可以看出，孔徑為0.8 mm 和孔徑為1 mm時(shí)，磁路模型的磁力線分布情況基本一致，磁力線在阻尼通道處的分布最為密集，隨著與線圈之間距離的增大，磁力線分布也隨之稀疏，且三節(jié)線圈處的磁力線分布情況基本一致。距離線圈最近的阻尼通道處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，當(dāng)孔徑為0.8 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.14 T；當(dāng)孔徑為1 mm時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.03 T。圖10所示為當(dāng)加載電流為1 A時(shí)，孔徑分別為0.8 mm和1 mm時(shí)孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，可以看出孔徑為0.8 mm和孔徑為1 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況基本一致，且在距離線圈最近處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。圖11得出了當(dāng)孔徑為0.8 mm和1 mm時(shí)，孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器加載電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖，可以看出隨著線圈加載電流的增大，阻尼通道中的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之增大，且孔徑為1 mm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加趨勢比孔徑為0.8 mm時(shí)略放緩。

圖10 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖11 加載電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖

4 結(jié)論

根據(jù)人體行走、跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)所需支撐力，設(shè)計(jì)出應(yīng)用于四連桿下假肢膝關(guān)節(jié)孔隙結(jié)合式的磁流變液阻尼器，對阻尼器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了孔隙結(jié)合形式的阻尼通道，并通過在MAXWELL中建立了孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器的有限元模型，進(jìn)行了磁場仿真，分析了孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)部磁場分布情況。結(jié)論如下：

(1) 孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)合理，同時(shí)由于阻尼通道采用孔隙結(jié)合形式，當(dāng)應(yīng)用于不同的步態(tài)時(shí)，可采取更換阻尼孔的方式，使阻尼器應(yīng)用范圍增大，延長了磁流變液阻尼器的使用壽命。

(2) 通過磁場仿真分析了阻尼孔直徑對孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器磁場分布的影響，結(jié)果表明阻尼孔直徑越小，孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器可產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生在離線圈最近的位置；并且當(dāng)阻尼孔直徑一定時(shí)，加載電流越大，孔隙結(jié)合式磁流變液阻尼器內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)。