基于FLUENT的磁流變阻尼器阻尼特性分析

吳俊岐，侯保林

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

【機械制造與檢測技術(shù)】

基于FLUENT的磁流變阻尼器阻尼特性分析

吳俊岐，侯保林

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

以某新型磁流變阻尼器為研究對象，利用前處理軟件ICEM-CFD和FLUENT建立阻尼器內(nèi)部空腔的流場模型，針對FLUENT無法直接模擬流動過程中材料性質(zhì)變化，提出利用UDF來對仿真計算中使用的Herschel-Bulkley黏塑性流體模型進行定義的計算方法，實現(xiàn)牛頓流與黏塑性流的混合仿真計算。通過對比不同磁通密度以及不同活塞桿運動速度條件下阻尼器的阻尼力輸出，分析磁流變阻尼器的阻尼特性，得到磁流變液對阻尼器阻尼力輸出的影響規(guī)律。

磁流變阻尼器；FLUENT；阻尼特性分析；建模仿真

磁流變液(Magnetorheological Fluids,MRF)是一種新型的功能型材料，是由微米級的磁化顆?；旌嫌谀撤N低磁導(dǎo)率的液體中制備而成。主要成分包括：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，磁流變液可以在一定的磁場條件下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。磁流變效應(yīng)是在無磁場作用下，磁流變液呈牛頓流體的特性，而在強磁場的作用下，其流變特性發(fā)生急劇的變化，表現(xiàn)為類似固體的性質(zhì)，撤去磁場時又恢復(fù)其流動特性的現(xiàn)象[1]。整個磁流變效應(yīng)的響應(yīng)過程非常迅速，在毫秒級。整個變化過程中液體的黏度連續(xù)，變化過程可逆且易于控制?；谏鲜鰞?yōu)點，磁流變液在土木建筑，航空航天，軍事裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。目前國內(nèi)國外對磁流變液都進行了大量的研究，因此磁流體的生產(chǎn)也取得了較大的進展。

磁流變阻尼器是一種以磁流變液為基液的新型阻尼器，可以便于實現(xiàn)阻尼力的實時連續(xù)控制。傳統(tǒng)的阻尼器基液為普通液體，因此阻尼器所能承受的阻尼力有限且不可控，如傳統(tǒng)的火炮后坐阻尼器，當阻尼器的各主要結(jié)構(gòu)尺寸確定后，阻尼器的阻尼力輸出也將確定，此時火炮的后坐行程與后坐速度都是近似固定值，磁流變阻尼器的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，并且可以基于現(xiàn)有的阻尼器進行改進，無需完全重新設(shè)計。本文以某新型磁流變阻尼器為研究對象，提出了以利用FLUENT為仿真軟件，結(jié)合使用UDF(User-Defined Function)編寫的第三方程序為控制程序來模擬磁流變阻尼器的內(nèi)部牛頓流與黏塑性流的計算方法。

1 磁流變阻尼器的工作原理

磁流變阻尼器的內(nèi)部磁場由線圈環(huán)繞軟磁材料而成的電磁鐵提供。線圈環(huán)繞的區(qū)域外側(cè)，無磁流變效應(yīng)，這部分區(qū)域成為非激活區(qū)；而在阻尼間隙的其他區(qū)域，磁場方向垂直于液體流動方向，會產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，可以通過控制線圈中電流的大小來改變磁流變效應(yīng)程度，稱這部分區(qū)域為激活區(qū)。為了有效地改變阻尼力的大小，在阻尼器的中間軟磁體和內(nèi)軟磁體上從左到右各布置了兩股線圈。

圖1是磁流變阻尼器的簡圖。阻尼器在受到外部作用力的狀態(tài)下，活塞桿帶動磁流變閥向左移動，內(nèi)部的磁流變液通過阻尼間隙向右移動。流經(jīng)阻尼間隙的流變區(qū)域的過程中，磁流變液受到磁場的作用，表觀上體現(xiàn)出的變化是黏度增大，內(nèi)部剪切力增大，會瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏腆w狀態(tài)的黏塑性體[2]，隨著流體壓力的持續(xù)增大，磁流變體會克服材料的剪切屈服應(yīng)力點繼續(xù)流動，流出磁流變閥后，阻尼間隙中的磁流變液恢復(fù)牛頓流體狀態(tài)。

1.阻尼器外筒; 2.外軟磁體; 3.外阻尼間隙; 4.中間軟磁體; 5.內(nèi)阻尼間隙; 6.線圈; 7.內(nèi)軟磁體

圖1 阻尼器簡圖

2 磁流變液動力學模型研究

關(guān)于磁流變阻尼器的分析與仿真計算，最根本的還是基于磁流變液的黏度、屈服極限、臨界應(yīng)變率等材料特性的計算。磁流變液在磁場的作用下，內(nèi)部的軟磁性材料被磁化，形成磁偶極子，彼此間相互吸引，從而形成抗剪力。在受到外磁場作用的前提下，磁流變液的剪切應(yīng)力會隨著剪切應(yīng)變的變化而變化，整個過程分為漸變區(qū)、屈服區(qū)、穩(wěn)定區(qū)3個階段[3-4]。磁流變液的材料特性在每個區(qū)段都有各自的特點。

常用磁流變阻尼器動力學模型有Bingham模型、Herschel-Bulkley模型、非線性雙黏度模型、修正的Bingham模型等等。Bingham模型簡單易懂，現(xiàn)有的許多文獻采用的多是Bingham模型描述磁流變液在磁場作用下的行為，但實際情況下，磁流變液在剪切率變化的過程中會出現(xiàn)剪切致稠或稀化現(xiàn)象，Bingham無法描述這一現(xiàn)象。Herschel-Bulkley模型則可以模擬上述現(xiàn)象，因此使用 Herschel-Bulkley模型進行計算(如圖2所示)。在模型中,引入一個表征磁流變體剪切稀化的系數(shù)因子,在不同的外加載荷下具有不同的系數(shù)。

Herschel-Bulkley模型的本構(gòu)方程為[5-6]

(1)

(2)

由此可知材料黏度是隨著剪切應(yīng)變率冪次方的變化而變化的，此時Herschel-Bulkley模型的本構(gòu)方程可表示為

(3)

當n=1時，Herschel-Bulkley模型就退化成了Bingham模型，nlt;1表示剪切稀化，ngt;1表示剪切致稠[7-8]。

為便于計算，流體黏度直接使用ANSYS/FLUENT的Herschel-Bulkley黏度表達式，查閱ANSYS/FLUENT的幫助文件，得到Herschel-Bulkley模型黏度變化規(guī)律定義如下：

(4)

（1）PoW。尋找隨機數(shù)n，使得：SHA(SHA(v||hp||t||n||hm))

τ0(B)=-86.51B3+122.56B2+17.42B-0.877

(5)

由式(5)可以看出，剪切屈服應(yīng)力大小與磁場強度B有關(guān)，相同的磁流體前提下，通過控制磁場強度，即線圈的電流強度就可以控制黏度和剪切力的變化，進而控制阻尼器的阻尼力。

3 阻尼器阻尼力計算

3.1 流場的建模分析

首先利用三維建模軟件對流場區(qū)域進行建模，之后用ICEM-CFD(Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)對流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，采用三維建模方法，網(wǎng)格全部采用六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由圖1可以看出，整個流場區(qū)域的激活區(qū)與非激活區(qū)是連接在一起的，磁流變液在流經(jīng)激活區(qū)與非激活區(qū)的過程當中液體的黏度以及屈服應(yīng)力是變化的，由于無法通過FLUENT直接模擬這一現(xiàn)象，因此考慮使用UDF控制流體的黏度和剪切屈服應(yīng)力的變化，核心思想是在ICEM中將激活區(qū)和非激活區(qū)定義為不同的part，之后通過UDF讀取part的ID進而對不同區(qū)域賦予不同的材料屬性，如圖3所示是UDF的程序流程框圖。由于UDF是基于C語言的一種開發(fā)環(huán)境，因此程序的格式與C語言程序格式完全相同，程序中用到的指令都是UDF的庫文件命令，將程序掛載到FLUENT中之后編譯，在設(shè)置材料黏度的時候直接使用。

圖3 UDF程序流程

本文用流動模式模擬剪切模式下流體的力學特征[9]，由于仿真計算中用到的是不可壓縮黏性流體，因此求解域的入口速度即為阻尼器活塞桿的運動速度；出口處的相對壓力設(shè)置為0，壁面為固定壁面。

3.2 阻尼力計算分析

關(guān)于磁流變阻尼器的分析與仿真計算，最根本的還是基于磁流變液的黏度、屈服極限、臨界剪切應(yīng)變率等材料特性的計算。磁流變液在磁形將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中進行計算，圖4所示的是計算所用材料的屈服應(yīng)力—磁通密度關(guān)系曲線，根據(jù)對磁流變閥處的分析計算(見圖5)，可以得到激活區(qū)中的最大磁感應(yīng)強度約為0.471T，利用式(5)計算出對應(yīng)的入口速度以及不同的磁通密度(不大于0.5T)來計算對應(yīng)的流場的壓力，進而得到磁流變阻尼器的阻尼特性。

圖4 MRF-132LD磁流變液屈服應(yīng)力與磁通密度關(guān)系

圖5 磁流變閥內(nèi)電流與磁通密度關(guān)系

3.3 計算結(jié)果

可以看出，流體黏度的變化是按照程序的設(shè)定而分布的，在非激活區(qū)中黏度為0.3 Pa·s，在激活區(qū)中則是按照Herschel-Bulkley模型規(guī)律變化。再由計算的壓力數(shù)據(jù)，最終得到的不同磁場情況下磁流變阻尼器在不同活塞速度下所產(chǎn)生的阻尼力，如圖7所示。

圖6 流場黏度分布

圖7 阻尼器阻尼力與活塞速度關(guān)系

從計算結(jié)果可以看出，在速度不大于2 m/s的情況下，磁流變效應(yīng)對阻尼器的阻尼力影響較大，電流從0 A增大到2 A可以使阻尼力翻倍增長，活塞桿速度為2 m/s時，0.5T時的阻尼力比0T時的阻尼力增加了124.3%，這是因為在速度較小的情況下，流體的黏塑性力大于慣性力，因此黏度的變化可以極大地影響阻尼力的變化[10]。當速度超過2 m/s時，流體的慣性力增大，因此調(diào)節(jié)黏度的大小對阻尼力的影響有限。當活塞桿的速度為10 m/s時，0.5T時的阻尼力比0T時的阻尼力增加9.8%，阻尼器的可控性依舊很明顯。因此，在受到相同外力條件下，磁流變阻尼器活塞桿的移動距離是可調(diào)的。

用計算所用阻尼器來承受火炮后坐力，火炮的后坐運動方程如下[11-12]：

(6)

其中：mh為后坐部分質(zhì)量；x為后坐行程；t為后坐時間；Fpt為炮膛合力，同一彈丸有相同的Fpt；FMR為阻尼器阻力；Ff為復(fù)進機力。由式(6)可以看出，對于同一彈丸，使用相同火炮發(fā)射時，改變磁流變阻尼器中電流的大小就可以改變火炮的后坐行程與后坐速度。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)(磁通密度飽和前)，通過改變線圈內(nèi)電流的大小改變磁流變閥內(nèi)部的磁場強度，可以有效改變磁流變液的剪切應(yīng)力，達到控制磁流變阻尼器阻尼力的目的。

UDF程序不只針對文中使用的模型而專門編寫的，它也適用于其他阻尼器模型。針對不同的磁流變液以及阻尼器的結(jié)構(gòu)，通過修改程序的參數(shù)就能夠進行仿真。

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(責任編輯唐定國)

AnalysisofDampingCharacteristicsofMagnetorheological(MR)DamperBasedonFLUENT

WU Junqi, HOU Baolin

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A new type of MR damper is taken as the research object, by using preprocessing software ICEM-CFD and FLUENT, it establishes the flow field model of the internal cavity of the damper. For the fact that FLUENT simulation can not directly change the properties of the material during flow process, it proposed the use of UDF to define the Herschel-Bulkley viscoplastic fluid model used in simulation calculations. And then the hybrid simulation calculation of Newton flow and viscoplastic flow is realized. By comparing the different magnetic flux densities and the damping force output of the dampers under different piston rod motion conditions. We analyzed the damping characteristics of MR damper, and the effect rule of MR fluid on the damping force output of the damper was obtained.

magnetorheological damper; FLUENT; damping characteristics analysis; modeling simulation

2017-07-02；

2017-07-31

國防973項目子課題(6132490102)

吳俊岐(1992—)，男，碩士研究生，主要從事機械設(shè)計與仿真研究；侯保林(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事火炮、自動武器、彈藥工程研究。

10.11809/scbgxb2017.11.031

本文引用格式：吳俊岐，侯保林.基于FLUENT的磁流變阻尼器阻尼特性分析[J].兵器裝備工程學報，2017(11):142-145.

formatWU Junqi, HOU Baolin.Analysis of Damping Characteristics of Magnetorheological(MR) Damper Based on FLUENT[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):142-145.

TH113

A

2096-2304(2017)11-0142-04