基于磁场FE和CFD的磁流变阻尼器力学性能分析(3)
模型采用瞬态压力基求解器(PBS)。使用Realizablek-ε模型,激活能量方程和粘性热。设置Coupled算法并采用二阶离散格式,求解控制Courant数为50,最大求解时间步长为1×10-5s。
磁通强度在流体中的主要作用区域如图8所示。受磁场影响的主要区域不全在环形间隙中,间隙的两端存在溢出。可能会影响阻尼器的力学特性计算结果。因此,在UDF代码中编写环形间隙两端的“圆弧”区域,其结合图7的磁通密度分布曲线能够更准确地描述非牛顿粘度。
图8 环形间隙两端的圆函数区Fig.8 Circular function area at both ends of annular gap
在CSS-型万能试验机上对阻尼器进行匀速准静态运动实验,如图9所示。固定缸体,对活塞杆进行匀速的加载和卸载。利用压力传感器和位移传感器采集阻力和位移。图10、11分别为匀速准静态运动的阻抗力-时间曲线和滞回曲线。对比阻尼器的实验和仿真曲线,验证了模型的准确性。
图9 匀速准静态实验设备Fig.9 Uniform quasi-static experimental equipment
图10 匀速准静态运动的阻抗力-时间曲线Fig.10 Resistance-time curves of uniform quasi-static motion
图11 匀速准静态运动的滞回曲线Fig.11 Hysteresis loop of uniform quasi-static motion
2.3 冲击CFD分析
当刚体初速度为7.4 m/s,壁面边界的运动状态由流固双向耦合的6自由度模块自动解算,总仿真时间为80 ms时,整个冲击过程的等值线和流线图如图12所示。冲击初期,流体在环形间隙中瞬时最大速度达到了75 m/s以上,但随着动能的耗散,流体速度会很快降低,达到最大位移仅需4 ms。磁流变阻尼器在运动过程中,流体产生了许多不停变化的涡,且流线极为不规则。但较大的涡都出现在活塞运动方向的后面。
阻尼器吸收的动能主要转化为流体热能。由于液体具有粘性,内部摩擦将产生热量,初始温度为300 K时,流体温度分布如图13所示。高温液体主要产生于环形间隙,因为此处剪切速率和动力粘度最大。冲击运动结束时温度分布并不均匀,活塞一侧的平均温度暂时高于另一侧。
输出的磁流变阻尼器运动学特性曲线如图14所示。MR阻尼器的压缩过程持续4 ms,拉伸过程持续大约70 ms。图14a显示,MR阻尼器最终无法完全复位,在位移为1.3 mm处几乎停止运动,这是由Bingham流体性质决定的。阻尼器在复原运动时,流体域的剪切速率逐渐降低。由式(5)可知,在剪切速率很低时,表观粘度会逐渐大幅升高,从而导致流体剪切应力变大。而随着位移行程的减小,空气弹簧力逐渐降低。当空气弹簧力小于流体阻力时,活塞开始减速直到停止运动。阻尼器在复原运动阶段先加速后减速的特征如图14b所示。在实际应用中,这种现象并不会影响磁流体阻尼器的使用。
图12 磁流变阻尼器速度等值线和流线Fig.12 Velocity contours and streamtraces of MR damper
图13 磁流变阻尼器温度等值线Fig.13 Temperature contours of MR damper
图14 冲击运动的运动学特性曲线Fig.14 Kinematic characteristic of impact motion
这是由于当控制电源断开后,磁流变液会恢复牛顿流体特性,阻尼器将很快完全复位。图15为冲击运动的滞回曲线,阻尼器的阻抗力曲线变化非常不规则,最大阻抗力出现在冲击初期,在行程2 mm处达到最大阻抗力110 kN,而后迅速降低并逐渐趋于平稳。复原阶段中的阻抗力保持在200~400 N极低的水平。该磁流体阻尼器在冲击过程中几乎吸收了所有的初始动能,其缓冲效能较为优异。
图15 冲击运动的滞回曲线Fig.15 Hysteresis loop of impact motion
3 结论
(1)针对某磁流变阻尼器提出了结合磁路有限元分析和计算流体动力学分析的单向耦合仿真研究方法。在实验验证匀速准静态运动模型的基础上,对模型进行了特定冲击载荷的流固双向耦合模拟,获得了其力学特性规律。
(2)在隐式边界条件的CFD分析中,解决了粘塑性流体本构定义、非牛顿粘度区的跟踪和捕获、以及被动运动的动网格处理等难点。在磁路FE分析得到双峰分布的磁通密度的基础上,用双曲正切函数定义了粘塑性磁流变液的非牛顿粘度,并用“圆函数”准确捕获非牛顿粘度区。模型也考虑了液体的可压缩性和多变方程描述的空气弹簧力。
(3)在冲击运动过程中,流体域产生大小不一的多个涡,其中最明显的涡产生于活塞运动方向的后侧。磁流变液中的热量主要产生于环形间隙,最终在活塞一侧的平均温度高于另一侧。在持续供电的情况下,阻尼器将无法完全复位,但电路控制可以解决这一问题。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0125/417.html