基于磁场FE和CFD的磁流变阻尼器力学性能分析(2)
式中ρ——流体密度V——流体速度
fb——体积力p——差压
μ——动力粘度h——比焓
λ——热导率Φ——粘性耗散项
Sh——源项T——温度
1.3.1流体本构模型
根据图4中磁流变液材料属性定义磁通密度B和屈服应力τy的关系曲线。使用Hill sigmoidal函数拟合为
式中,ε=117 024.8,β=0.967 66,k=1.693 63。
目前,针对粘塑性流体提出了多种本构模型[24-26]。本文采用由双曲正切函数定义的流变粘度模型[13-14],即
式中α——粘度增长控制因子,取0.03
ζ——粘度增长控制因子,取0.1
μp——塑性粘度剪切速率
对速度冲击过程进行CFD分析时,必须考虑MR流体的可压缩性。因为阻尼器在冲击瞬间压力变化非常大,如果不考虑流体的压缩性将导致压力计算出现异常。液体压力用Tait状态方程描述,即
式中m——密度指数ρ0——参考密度
E0——参考体积模量
1.3.2空气弹簧
磁流变阻尼器有空气弹簧结构,空气腔存在一定初始压力,其主要作用是提供回复力,使被压缩的阻尼器自动复位。空气弹簧力Fs一般依据气体多变过程方程来描述,即
式中p0——初始压力,取2.5 MPa
Aair——活塞面积,取1 756.15 mm2
W0——初始体积,取52 684.5 mm3
n——气体多变指数,取1.3
x——活塞位移
1.3.3流体网格定义
流体计算域仍然采用二维轴对称四边形网格。动网格使用Layering层铺技术,网格被压缩至一定程度时,贴近壁面的网格会坍缩与合并。而网格被拉伸至一定程度时,贴近壁面的网格会分裂出新层。为了顺利实现网格层铺法,在生成网格时需考虑Mesh Interface。如图5所示,活塞两侧的壁面被定义为刚体移动壁面。仅生成流体域网格,间隙处的网格被加密,总共包含了95 403个四边形单元。
图5 流体网格定义示意图Fig.5 Schematic of fluid mesh definition
1.3.4用户自定义函数
磁流变阻尼器的活塞移动时,磁场的影响区域会跟着变化。所以,对于非牛顿区域的跟踪和捕捉是必要的。与显式边界模型不同,隐式边界模型的“磁场作用区域”不能直接定义,其需要依赖移动壁面的实时坐标。因此,基于C语言编写了用户自定义函数(UDF文件),并在求解器中进行编译。
使用“DEFINE_PROPERTY”宏定义计算域的动力粘度属性。首先,使用“Get_Domain”宏和“Lookup_Thread”宏获取移动壁面的指针,在此之上用“F_CENTROID”宏访问移动壁面的坐标信息并存入数组;然后写入式(4)、(5)和磁场FE分析得到的磁通密度。以上函数中涉及2个变量,其中坐标信息从数组中提取,剪切速率由“C_STRAIN_ RATE_MAG”宏访问得到;最后用“C_ CENTROID”宏访问计算域的所有网格单元,并把非牛顿粘度函数赋值于受磁场影响的单元。
活塞只在x方向移动,而且存在空气弹簧力和限位块,故还需要定义6自由度模块的UDF文件。根据头文件six_dof.h,使用“DEFINE_SDOF_PROPERTIES”宏定义刚体属性,代码可以与属性宏编写到一个文件中。使用“SDOF_MASS”宏定义刚体的质量,其值取阻尼器负载的质量;使用“SDOFO_1DOF_T_P”宏定义自由度为1个平移自由度;使用“SDOFO_LOC, SDOFO_MIN,SDOFO_MAX”宏定义刚体的位移限制;最后用“SDOF_LOAD_F_X”宏写入空气弹簧力式(7)。
2 数值结果
对于单向耦合模型,式(4)、(5)是耦合磁场FEA和CFD的关键。通过静磁场分析得到磁通密度B在流体域的分布,然后将其转换为动力粘度在流体域的分布,并导入CFD模型。
2.1 静磁场FE分析
当输入电流I=4.0 A时,计算域内的磁通密度等值线如图6所示。大部分磁感线从活塞的两端穿过流体进入阻尼器的缸体,由于流体和活塞杆的磁导率都非常低,磁通量更多地分布在磁性材料中。输出环形间隙中间线上的磁通密度分布曲线如图7所示,磁通密度存在两个峰值,分别在环形间隙的两端,最大值达到1.96 T。而在两个峰值的中部以及外侧,磁通密度迅速降低至接近0。
图6 流体域中的磁通密度分布Fig.6 Magnetic flux density distribution in computational domain
图7 环形间隙中线上的磁通密度分布Fig.7 Magnetic flux density distribution on middle line of annular gap
2.2 模型验证
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0125/417.html