摘 要

磁流变阻尼器因其响应速度快阻尼力连续可调等优良特性如今在减震领域受到了广泛的关注。但是，市面上磁流变阻尼器普遍应用在桥梁、建筑等冲击载荷较高的工作环境中，且体积普遍偏大，无法应用于低负载和对体积限制严苛的工作条件。本文通过改造传统大型阻尼器结构和磁路设计了一种体积小，可以胜任低负载工作环境中的微型磁流变阻尼器结构以应对体积限制较为严苛的环境要求。本文的主要研究内容包括以下几个方面：（1）磁流变阻尼器结构设计；（2）磁流变阻尼器磁路设计与分析；（3）阻尼器力学性能校核。磁流变阻尼器结构设计主要包括阻尼器材料选择和结构参数选取。针对线圈外置特殊结构磁流变阻尼器的磁路，阻尼器材料主要包括导磁材料、不导磁材料和磁流变液三项，结合设计需要和他人研究成果，三项材料分别选择为磁损耗小于碳钢的硅钢、相对磁导率约等于1的铝合金和Lord公司生产的MRF-132DG型磁流变液。结构参数选取部分，依据标准磁流变阻尼器的设计规范对磁流变阻尼器的各个重要尺寸进行了初步选定。

磁流变阻尼器磁路设计与分析部分，根据限元分析理论，利用ANSYS仿真软件对阻尼器线圈绕法对磁感应强度的影响进行了有限元分析和对比，结果表明线圈中置于阻尼器外壳的方案更适用于本设计，并针对有限元分析结果对阻尼器进行优化。

阻尼器力学性能校核部分，通过有限元分析获得的数据检查磁路是否饱和以及校核阻尼力所能提供的最大阻尼力。

总之，所设计的微型磁流变阻尼器具有良好的阻尼特性，冲击速度为5m/s时可提供的最大阻尼力约为150N，大于实际要求100N。本设计中采用的结构和方案也可为微型磁流变阻尼器的设计和应用提供设计基础。

关键词：磁流变阻尼器；结构设计；磁路分析；有限元

Abstract

Magnetorheological dampers (MR Dampers) have attracted extensive attention in the field of shock absorption due to their fast response speed, excellent damping force, and other excellent characteristics. In view of the phenomenon that MR dampers in the market are generally used in bridges and buildings to deal with high impact load working environments, and the load is generally large, this paper has designed an MR damper in a small size by transforming the traditional large damper structure and magnetic circuit. The structure design of the miniature magnetorheological damper that can be used for the shock-absorbing unit in the low-load working environment can cope with design requirements that are stringent on the usage of space. The main research content of this article includes the following aspects: material selections of damper structures, parameter selection, and magnetic circuit design analysis. Additionally, the mechanical properties of the damper were checked.

The material selection part is divided into three parts: magnetic material, non-magnetic material, and MR fluid for the magnetic circuit of MR damper with a special structure that the coil is externally placed. The choices are silicon steel whose magnetic loss is less than carbon steel, aluminum alloy whose relative permeability is approximately equal to 1, and MRF-132DG produced by Lord.

The parameter selections rely on the design specifications of the standard MR damper to preliminarily define each important dimension of the magnetorheological damper. In the magnetic circuit design and analysis part, according to the finite element analysis theory, finite element analysis and comparison on the influence of the difference between the winding method of the coil on the magnetic induction intensity are operated based on ANSYS simulation. The results show that the structure with the coil centrally placed on the damper housing is more suitable for this design. Use the data obtained through finite element analysis to check whether the magnetic circuit is saturated and the maximum damping force that the damping force can provide.

In conclusion, the designed miniature MR damper has good damping characteristics. The maximum damping force that can be provided when the impact velocity is 5m per second is about 150N, which is greater than the requirement of 100N. The structure and the design adopted in this MR damper can also provide a basis for further design and application of miniature magnetorheological dampers.

Keyword: MR damper; Structure design; Magnetic circuit analysis; Finite element

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2磁流变阻尼器的中外研究现状 1

1.2.1磁流变阻尼器结构的研究现状 1

1.2.2磁流变阻尼器仿真模型的研究现状 4

1.3 主要研究内容 5

第2章 微型磁流变阻尼器结构设计 7

2.1磁流变液的选择 7

2.2结构主体材料选取 7

2.3微型磁流变阻尼器活塞及活塞杆材料的选取 8

2.4磁流变阻尼器结构参数选取 8

2.4.1 微型磁流变阻尼器参数选择依据 8

2.4.2阻尼通道宽度h、活塞直径D、缸体内径的确定 8

2.4.3活塞杆直径d、缸筒厚度δ及缸筒外径的确定 9

2.4.4缸筒端部厚度计算及阻尼器密封、防尘结构 2

2.4.5阻尼器密封、防尘结构 2

2.4.6 补偿力供给装置 2

2.4.7 磁流变阻尼器总体结构 3

2.5 本章小结 3

第3章 磁流变阻尼器磁路方案分析 4

3.1理论基础 4

3.1.1有限元法理论基础 4

3.1.2 ANSYS软件功能特点 4

3.2磁场有限元分析选定优势方案 4

3.2.1建立几何模型 5

3.2.2确定线圈缠绕位置方案 7

3.3磁流变阻尼器磁路的优化 11

3.4 本章小结 13

第4章 磁流变阻尼器性能校核 14

4.1励磁线圈匝数选定 14

4.2磁路饱和有限元分析 14

4.3阻尼力校核 16

4.4本章小结 17

第5章 总结与展望 18

5.1总结 18

5.2相关研究展望 18

参考文献 19

附录 21

致 谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

振动与人们的生产和生活息息相关，在生产中，精密机械手的定位和抓取工作除了设计固定的工作线路外，克服外界的振动噪声是另一难题。在生活中，载具的减震悬架保证了乘客的舒适度。大到建筑桥梁抗震系统，小到智能手机的保护壳都体现了减振的重要性。在工程领域，磁流变阻尼器(Magneto-rheological Damper)是普遍应用在震动控制系统中以减小振幅和缩短振动时间的装置。其主要工作原理是通过调节励磁线圈中的电流来控制磁场强度，使得在阻尼间隙间自由流动的磁流变液(Magneto-rheological Fluid)固化为半固体状态以获得可以控制的阻尼力^[1]。磁流变液的状态变化是通过控制电流来改变磁场强度，，且响应时间短以毫秒记。其效能高于传统阻尼器，具有结构简单、能耗低等优点。磁流变阻尼器不仅在提供可变阻尼力的能力方面具有优势，而且还具有故障安全装置。如果控制系统中存在故障，根据内部磁流变流体的状态特性，在某些性能参数范围内的磁流变阻尼器仍可以作为被动阻尼系统运行。从而磁流变阻尼器如今常用于多层建筑、桥梁的减震系统和车辆抗震等军用和民用领域。本研究目的在于设计一个在有体积限制的条件下可以有效减弱低载荷引起的震动的磁流变阻尼器。

在生活中使用的机械逐渐小型化的趋势下，市场对各个构成机械元器件体积的要求也将逐渐严格。尤其是在机器人行业迅猛发展的今天，各种民用机器人如扫地机器人等逐渐进入了人们的视野，阻尼器的小型化、微型化是一个值得关注的课题。微型阻尼器的设计将给机器人小型化提供条件，让使用者的使用体验更加舒适，或让机器人的使用寿命得以延长。

1.2磁流变阻尼器的中外研究现状

1.2.1磁流变阻尼器结构的研究现状

传统磁流变阻尼器的构成主要是：活塞杆、活塞、磁流变液、线圈和腔体。如图1.1所示：