基于FLUENT的磁流变减振器油针阻尼力优化设计研究

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摘要：油针作为油液减振器的元件之一，对调节油液减振器的阻尼力起到比较重要的作用，近年来这一结构被引入磁流变减振器，本文针对对国内某新型磁流变减振器的油针设计及实验情况，提出了两种不同的油针设计方案，并使用fluent软件进行了仿真，并对结果进行了比较分析，为油液/磁流变减振器的油针设计及阻尼力优化提供了参考。

关键词：磁流变减振器；油针；优化设计

引言

磁流变液作为一种新型智能材料，目前在汽车、建筑、航空、机械、医疗等领域已经进行了卓有成效的工程实践应用[1]，相比于普通油液减振器具有明显的优点，如结构简单，响应速度快，阻尼力较大并能够连续可调是一种典型的可控液体减振器[2]。由于磁流变减振器的优良特性的前景，对其阻尼力影响因素方面的研究也越来越受到重视[3]。

在油液减振器的设计中，经常需要使用油孔来产生及调节阻尼力，而油针在行程中可以自行调节油孔大小，是应用较为广泛和成熟的结构，具有简单可靠且不需要维护的优点，而这一结构在磁流变减振器上却较为少见，将其引入磁流变减振器设计，不仅可以在行程中有效地调节阻尼力，还可以在半主动控制失效时使减振器可以正常工作，增加系统的可靠性。中国民航大学的卢铭涛将油针结构引入磁流变减振器设计中，取得了一定的成果[4] 但是在实验过程中，该结构的初始阻尼力却比较小，从而使得该设计在整个行程中实际起到的作用较为有限。根据其实验情况，本文设计了两种不同的油针方案，使用FLUENT软件进行仿真，分别得到了引入沟槽和改变形状对油针阻尼力大小的影响。

1.油针的结构设计

本文的研究对象为卢铭涛的磁流变减振器设计，其结构如图1-1所示。如图，该减振器的设计中引入了油针结构，其作用是：在活塞运动时，油针可以在运动过程中改变油孔的面积，从而达到根据行程调节阻尼力的目的[4].

在磁流变减振器设计中，阻尼通道部分的设计已经应用了环槽结构[5]，本文将这一结构引入油针设计当中。其增加阻尼原理为：油针在油孔中往复运动，在上下压差的作用下，磁流变液在流经阻尼槽后，其体积膨胀，速度也会降低，加之矩形截面内漩涡的耗散作用，动能转化为热量，从而实现增加阻力的作用。为了确定增加环槽对油针阻尼力的影响，本文将研究分析三种不同形状的油针，通过仿真并进行对比研究环槽的增加和形状的变化对油针阻尼力性能的影响。 各方案的结构设计变量如表1所示。

2.建模及分组对比

2.1.原始设计建模

使用FLUENT软件进行流体仿真首先需要确定模型的运动情况。由参考文献[4]，可知起落架磁流变减振器的力学模型如图1-2-1所示：

由该模型得出的起落架磁流变减振器的运动微分方程式为：

由于 ，忽略减振器活塞杆相关部件和连接的影响后该模型可简化为：

其中， 为总阻尼力，M1为总体结构加载在起落架上的重量。在本文中，为研究方便，将 简化为油针处所受的粘性力加以研究。为直观地比较方案之间阻尼力性能的差别，本文使用阻尼力/时间曲线来描述油针阻尼力随时间变化的情况。

根据该减振器的结构图，建模及网格划分如图2-1。

将模型的流体区域作为求解区域，划分网格，本模型的网格数为5700，本文设置的条件为活塞起始速度10mm/s，液体的密度为2650kg/m3，，粘度设为0.58。经过运行，得到该设计的阻尼力时间曲线如图2-5所示。

2.2.仿真与对比

下面修改原始模型，选取方案2，将原油针上开设若干沟槽如图2-6所示。

对此结构进行仿真，得到和方案1的对比曲线如图2-7所示。

图2-5 原始油针和多环槽锥形油针阻尼力时间曲线对比

由此可知，在原始设计上增加环槽后，阻尼力得到了比较明显的提高，可以认为，增加环槽可以比较明显地提高油针的阻尼力。

下面对模型进行修改，选取方案3，如图2-7所示，在总体上将油针设计改为圆柱体，同样在圆柱体上开设若干沟槽。

由此结果可以看出，与方案1相比，方案3具备了可以提高阻尼力的环槽，与方案2相比，圆柱形多环槽式油针具有比较小的阻尼间隙，在整个行程中，方案3都具有高于方案1和方案2的阻尼力，拥有最佳的阻尼效果。

2.3.结果分析

在方案1的设计中，采用锥形油针的形状是为了在行程的不同阶段对油孔大小进行调节，依靠不同的周向间隙来产生不同的阻尼力，阻尼力变化比较小，随着进入油孔长度的增加阻尼力也有所增加，图2-5的结果显示，方案2在原始设计上开设环槽，在整个行程中的阻尼力大于方案1，证明增加环槽可以有效地提高油针的阻尼力性能，方案3的阻尼力产生机制和其他两种方案有所不同，其主要由环槽所产生，与方案2和方案1不同的是，方案3是通过油针进入油孔的长度和周向间隙来进行调节阻尼力。图2-7的结果则显示，多环槽式油针方案由于拥有较多的环槽，并且有比较小的阻尼间隙，从而使得整个行程中的阻尼力变化都要大于两种锥形油针。

3.结论与展望

本文对三种油针设计方案进行了建模及仿真分析，结果表明，在油针设计中引入环槽可以比较明显地提高油针的阻尼力。而油针设计方案3由于使用了较多的环槽，且有比其他方案更小的阻尼间隙，在三种设计方案的对比之中显示其具有最大的阻尼力。未来通过在振动试验台上的进一步试验，可以更加准确地确定环槽的相关具体尺寸参数如槽个数，槽宽，槽深及阻尼间隙等的最佳取值，将该方案进一步完善。

参考文献：

[1] Margida A J，Weiss K D，Carlson J D.Bullogh WAed Proc of the 5th Int Confon ER Fluids，MR Suspensions and Associated Technology[C].Singapore：World Scientific，1996：544-550

[2]余心宏，马伟增.磁流变减振系统参数辨识[J].化学物理学报，2001，14（5）：65-88.

[3]李金海，关新春，欧进萍. 磁流变液的配制及其流变模型的研究[J].功能材料，2004（35），577-581.

[4]卢铭涛，飞机起落架磁流变减振器的设计及实验研究[D].中国民航大学，2013.

[5]李永洁.多环槽阻尼通道磁流变减振器建模与实验研究[D].中国民航大学，2008.DOI：10.7666/d.y1355949.