位移相关磁流变脂减振器结构设计及优化

针对磁流变液减振器结构设计磁场利用率不高，同时磁流变液易产生沉降现象导致控制特性劣化，而磁流变脂粘度高、流动性差导致减振器初始阻尼力过大、阻尼调校空间小的问题，本文提出一种减振效果与活塞位移相关的新型磁流变脂减振器。本文阐述了该减振器的结构形式和工作原理，基于流体力学理论，选用宾汉本构模型，建立了输出阻尼力数学模型，在MATLAB环境下对模型进行仿真研究。为了提高减振器性能对其在基础尺寸上进行了合理的优化，优化结果显示优化后减振器相较之前得到了更低的初始阻尼力以及更宽的阻尼可调范围。

磁流变液减振器因其耗能较低、阻尼响应迅速、阻尼调校空间大且实时可控等诸多优点已成为减振器的重要发展方向之一，如今，磁流变技术已被广泛应用于房屋桥梁减振、直升机起落架、汽车减振器以及假肢膝关节等器件上[1] [2] [3] [4]。

然而， 在Gomez-Ramirez 等[5]的研究工作中发现， 由于磁流变液中铁磁颗粒与基载液之间存在巨大的密度差，导致铁磁颗粒极易产生沉降现象致使磁流变液减振器控制特性劣化，大大降低了减振器的使用寿命。

于是，一种新型的磁流变材料——磁流变脂应孕而生[6]。磁流变脂以润滑脂为基载液，润滑脂皂纤维结构能够有效防止铁磁颗粒发生沉降，使其在改善磁流体沉降稳定性方面表现出了得天独厚的优势[7] [8]。但是磁流变脂却因其初始粘度高，流动性差，屈服应力可调性不够高[9]的缺点受到了发展限制。因此，对磁流变脂减振器进行结构设计，以此降低其初始阻尼力、提高阻尼可调范围很有必要[10] [11]。

本文的主要研究内容是通过对磁流变脂减振器进行结构设计以改善其原有缺点，并基于宾汉本构模型，建立减振器输出阻尼力数学模型，并对减振器原有结构参数进行多目标优化设计，最后在MATLAB环境下对优化前后模型进行仿真分析并进行对比，为磁流变脂减振器的合理设计提供理论参考。

2. 结构设计 本文所设计的位移相关磁流变脂减振器的结构示意图如图1 所示，为解决磁流变脂初始粘度大、流动性差、阻尼可调范围不够高的缺点，在该减振器的缸筒静平衡位置加工了一圈泄流环槽；并在活塞头处开有两个与环形阻尼通道并联的旁通孔，以及两侧端盖与其配对的4 根堵杆。通过泄流槽与旁通孔的共同作用以减弱减振器初始状态下诸多缺点所带来的影响，同时实现减振器输出阻尼力随着活塞位移的变化而变化，并根据活塞到达的不同区域将减振器划分为“软”、“硬”、“过渡”及“中间”四段阻尼区。汽车在空载状态下，活塞在泄流槽软阻尼区内振动，减振器的阻尼力较低有利于改善目标车的乘坐舒适性；车