磁流变阻尼器动力学模型及其应用

　　磁流变现象在20世纪40年代末被人们发现并开始研究,磁流变体是由在磁场中可极化的悬浮微粒、载体液和稳定剂等3部分组成,是一种智能材料.磁流变体的流变特性可以通过改变磁场的方法加以控制,在外加磁场的作用下,液体的粘度发生很大的变化,具有很大的抗剪切力,其变化的大小与磁场的强度有关,使其作为力传递的介质;当外加磁场撤去时,磁流变体又恢复到原来的液体状态,其响应时间仅为几毫秒,易于控制并且连续可控.20世纪80年代以来,磁流变技术得到了迅速发展,磁流变阻尼技术包括:磁流变材料技术研究,磁流变元件应用研究两方面的研究内容.前者主要从材料和力学的角度出发,研究磁流变体的组成及物理特性;后者则从机械学、电子学、电磁学、自动控制等角度出发,并结合具体工程应用开展研究.

　　磁流变液体和电流变液体比较有以下特点:(1)磁流变液体能得到较大的屈服应力,其典型的屈服应力范围为50~100 kPa,而电流变液体可得到的屈服应力范围为2~5 kPa;(2)磁流变液体可以用很低的电压(12~24 V)进行控制,其控制电流为1~2 A,可以节约能源并且易于实现;(3)磁流变液体的工作温度范围为-40~150℃,在此范围内,其屈服应力值变化很小,而电流变液体的工作温度范围为10~90℃;(4)磁流变液体对在使用和装配时经常遇到的杂质不敏感.正是上述特点,其在工程上的实用成为可能,利用磁流变体可以制作磁流变制动器、离合器、减振器等磁流变元器件.

　　目前国外已经开始把磁流变技术应用于军事工程机械领域,如国外海军进行研究,把磁流变阻尼器应用于舰炮的反后坐装置上,并设计出演示样机,进行了靶场的演示样机试验,结果表明磁流变阻尼器能同时有效减小后坐力和后坐行程,可以采用闭环实时控制方法,来改善反后坐装置在冲击载荷下的响应特性,以满足火炮整体的性能要求.最近国外空军还进行研究,把磁流变反后坐装置和半主动控制技术结合,应用于其直升飞机的反后坐装置上,以减小后坐力和行程,减轻火炮重量提高机动性能.

　　1　磁流变阻尼器动力学模型

　　正确建立磁流变阻尼器的动力学模型是其应用的基础,磁流变阻尼器是高度非线性的装置,其动力学模型涉及磁流变体在磁场作用下的特性,磁路设计,阻尼器的动力学特性等.磁流变体在磁场作用下改变其流变特性,在没有磁场作用时,磁流变体表现为牛顿液体特性,其剪应变和剪变力成正比.在外加磁场作用时,磁流变体表现为Bingham特性,

　　其中,τy为磁流变体的全部屈服强度,τy(H)是由磁场引起的屈服强度,η为磁流变体的粘度,γ为剪应变.

　　假设磁流变全材料为一维流动,同时忽略其体力和对流,在压力驱动模式中,总的压差的变化是由两部分因数引起的:磁流变体的粘度有关的压差Δpη和由于磁场的引入产生的压力变化Δpτ,分别由下式表示.