SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要 ：基于某品牌汽车磁流变减振器的性能要求， 对磁流变液的组成结构 、工作原理进行研究 。将表面活性剂与基础载流液充分 混合均匀后， 加入混合微纳米球形铁粉颗粒 、触变剂 、干燥剂和润滑剂， 采用高速搅拌器进行机械搅拌， 配置出一种性能优异的 磁流变液 。使用旋转黏度计检测磁流变液黏度并根据自然沉降法进行稳定性检测， 结果表明零场黏度为 600 mPa·s 且静置 6 个月后 沉降率为 18%， 具有较低的零场黏度和较高沉降稳定性能 。通过建立磁流变减振器电磁阀主活塞工作简化模型， 采用 Fluent 流动 模拟仿真， 得出了磁流变液压力与流速情况 。其中， 磁流变液在主活塞入口处的压力最大， 且随着磁流变液在通道的流动逐渐降 低， 在出口处达到最低值; 而流速则是通道中心大于通道两壁 。最后探究了磁流变液流动压力与流速产生变化的原因， 为研发性 能优越的智能磁流变器件提供了有效参考， 具有实际工程应用价值。
关键词 ：磁流变液,磁流变减振器,Fluent模拟仿真
Magnetorheological Fluid Preparation and Finite Element Simulation of Flow Characteristic
Li Guoquan1. Huang Ziqi2. Chen Junjie2
( 1. Technical Center, Guangdong Yiconton Air Spring Co., Ltd., Yunfu, Guangdong 527300. China;
2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000. China) Abstract: Based on the performance requirements of a brand of automobile magnetorheological damper, the composition and working principle of magnetorheological fluid are studied. After the surfactant and the basic carrier liquid are fully mixed, the micro and nano spherical iron powder particles, thixotropic agent, desiccants and lubricants are added, and a high-speed stirrer is used for mechanical stirring to equip a magnetorheological fluid with excellent performance. The rotational viscosity is used to measure the viscosity of the magnetorheological fluid and the stability is tested by the natural sedimentation method . The results show that the field viscosity is 600 mPa ·s and the settling rate is 18% after standing for six months, which shows that the magnetorheological fluid had low zero field viscosity and high settling stability . By establishing the simplified working model of the main piston of the magnetorheological damper solenoid valve and using Fluent to simulate the flow, the pressure and velocity of magnetorheological fluid are obtained . Among them, the pressure of magnetorheological fluid at the entrance of the main piston is the highest, and gradually decreases with the flow of magnetorheological fluid magnetorheological fluid magnetorheological fluid in the channel, reaching the lowest value at the outlet. The flow rate is greater in the center of the channel than in the two walls of the channel. Finally, the reasons for the changes in the flow pressure and velocity of magnetorheological fluid are explored , which provides an effective reference for the development of intelligent magnetorheological devices with superior performance and has practical engineering application value.
Key
words: magnetorheological fluid; magnetorheological shock absorbers; Fluent simulation
引言
磁流变液是由能在磁场中发生相互作用的磁性颗粒， 经过干燥 、搅拌等工艺， 使其均匀地分散于黏度较低的 载流液中所形成的悬浮液 。磁流变液具有响应速度快、 能耗低 、适用温度范围广 、阻尼连续可变以及流变效应 可逆等特点， 已经广泛应用于汽车 、机械 、航空 、医疗、 精密加工等领域[1]。
Rabbani 等[2]对以硅油为基础载流液 、羰基铁粉为磁性颗粒的磁流变液进行了不同的温度的研究， 得出了磁 流变液随着磁场的增强或温度的降低， 最大屈服应力显 著增强的结论 。Bombard 等[3]研究了以离子液体为载流液 加入不同基团 POM-POM 和 PDMS-PDMS 后制得的磁流 变液的摩擦学特性， 结果表明在加入 POM-POM 中磁流 变液摩擦特性增强， 而加入 PDMS-PDMS 的磁流变液会 产生全膜润滑 。Bossis 等[4]用不同表面活性剂结合微米大 小铁粉颗粒制备悬浮液， 获得了分散良好的磁流变液，并分析了分散度对磁流变液流变性能的影响， 结果表明 磁流变液的分散质量对场致屈服应力的大小影响较小， 对黏度影响较大， 随着分散质量的增加黏度变化较为迅 速 。Ido 等[5]对磁流变液进行分子组成结构的模拟， 将晶 格-波尔茨曼方法和离散元法等方法组合， 研究了磁流 变液在较大的磁场和剪切力的作用下， 磁流变液中有各 种不同的结构生成 。Satoh 等[6]研究了颗粒形状为杆状的 磁流变液， 基于蒙特卡洛的方法， 根据不同磁场强度的 条件下， 分析了磁性的颗粒之间相互作用以及磁性颗粒 在磁流变液所占体积比例对磁流变液流变特性的影响。
国内对于磁流变液的研究相对于国外出发较晚， 但 目前已经在磁流变液的理论分析 、组成结构 、内部机理、 智能控制及装置应用方面进行了一定的研究， 获得了一 些成就 。易成建等[7]研究了磁流变液中磁性颗粒形成的 单链结构， 并使用有限元软件 ANSYS 模拟了力学结构， 分析了磁场强度及磁性颗粒数量对磁流变液屈服应力的 影响 。王昭轩等[8]研究磁流变液的剪切屈服应力， 基于 分子动力学软件 LAMMPS， 分析了磁流变液在磁场强度、 磁性颗粒百分比 、磁性颗粒粒径等不同条件下的力学性 能 。熊皓等[9]研究表面活性剂对磁流变液沉降稳定性的 影响， 分析了随着表面活性剂 HLB 值的减小， 磁流变液 的沉降稳定性有所提高 。牛方昊等[10]研究以油酸 、聚甲 基丙烯酸甲酯修饰羰基铁粉的磁流变液， 发现油酸为表 面活性剂磁流变液在磁场作用下可形成更强的链束结构， 屈服应力增大， 聚甲基丙烯酸甲酯则相反。
综上所述， 已有许多学者对磁流变液的各个方面展 开了研究， 包括磁流变液的制备材料 、结构特性及其应 用等领域， 但是磁流变液的稳定性与使用寿命仍有很大 的进步空间 。本文在充分了解国内外磁流变液的基础上， 研制具有良好稳定性和适合黏度的磁流变液， 通过对磁 流变液宏观结构 、整体性能的研究过渡到性能变化的模 拟， 进而研发出性能更好的磁流变液， 为研发性能优越 的智能化磁流变器件提供了有效参考， 具有实际的工程 应用价值。
1 磁流变液制备
1.1 材料选择
磁性颗粒的形状 、粒径大小 、表面电荷等都是选择 磁流变液材料重要因素[11] 。一般所使用磁性颗粒形状有 球形 、椭球形 、片状 、线状等， 但考虑到非球形颗粒其 摩擦有效表面积更大， 对于磁流变液的流动阻力增大， 导致其零场黏度增加， 故选用球形磁性颗粒 。一般所使 用磁性颗粒粒径大小不宜过大， 过大粒径的磁性颗粒相 互作用大， 易发生团聚与沉降现象; 粒径也不宜过小， 过小粒径会使磁流变液整体的剪切屈服强度降低， 磁流 变效应减弱， 故选用纳米级与微米级磁性颗粒按一定比例混合使用 。综上所述， 选用的是微米级高纯羰基铁粉 ( 10 µm 以下) 和纳米级还原铁粉 ( 500 nm)， 如图 1 (a) 所示。
基础液的黏度大小 、相对密度 、化学稳定性和污染 性等都是所需考虑的条件， 硅油 、矿物油 、合成基础油、 甲苯 、聚苯醚等都符合大致要求[12] 。硅油具有良好的化 学性能， 具有较低的粘温系数， 在较大的温度范围内黏 度变化小， 且热氧化稳定性好， 电绝缘优异 。但硅油的 润滑性较差， 磁性颗粒在其中的减摩性不高， 且具有一 定的吸湿性， 在潮湿的环境中会影响磁流变液沉降稳定 性从而影响磁流变液的使用 。合成基础油是不同黏度的 矿物油与合成油， 再加以各种添加剂 (使油的性能提升) 制成的， 因此具有许多优异的性能 。一般作为减振器里 的阻尼油液， 可以有效吸收震动 、衰减能量 。而且低温 性能好， 抗剪切性与抗磨性高， 不易蒸发 。综上所述， 选用的是合成基础油， 如图 1 (b) 所示。
磁流变液中常用的表面活性剂有聚乙二醇 、偶联剂、 二乙基磺酸钠 、司盘等 。表面活性剂的微观结构存在两 种基团， 表现不同的性质[13]： 一端为亲水性， 另一端则 为疏水性， 其亲水基团可以吸附在磁性颗粒表面， 而疏 水基团则可以均匀的扩散在基础液中， 进而使磁性颗粒 均匀地扩散在基础液中 。选择如图 1 (c) 所示三油酸山 梨坦 (司盘 85)， 其黏度低， HLB 值很小， 其疏水性很 强， 在合成基础油中使用效果更好， 可使磁性颗粒极易 扩散在基础液中 。磁流变液中常用的触变剂有膨润土、 高岭土、硅藻土、纳米硅酸镁锂和气相二氧化硅等。选择 膨润土粉， 其可以在基础液中形成空间网络结构， 能将微 纳米复合磁性颗粒包覆在内， 阻碍了颗粒之间的作用力， 从而降低磁流变液的团聚和沉降现象， 如图 1 (d) 所示。
磁流变液中常用的干燥剂[14]有氧化钙及苯基类抗氧 化剂， 选择氧化钙， 如图 1 (e) 所示 。磁流变液中常用 的润滑剂有氮化硼 、聚四氟乙烯 、石墨和 MoS2 。 MoS2 对磁流变液的减摩性能在上述四者之中最佳， 故选择 MoS2 作为润滑剂， 如图 1 (f) 所示。
1.2 工艺流程
传统制备法是在磁流变液的早期制备中， 最常见也 是常规的制备法 。将磁性微粒直接加入载液中， 经过一 定的机械搅拌， 然后在各种添加剂的加入下， 继续进行 机械搅拌所得到的磁流变液。
对传统的制备方法进行改进， 先使表面活性剂与基 础载流液充分混合均匀， 再加入混合微纳米球形铁粉颗 粒和触变剂进行高速搅拌， 最终加入干燥剂和润滑剂提 高磁流变液的抗氧化性和使用寿命 。所使用的高速搅拌 器如图 2 所示。
根据双网格复配与正交实验， 不断地调整实验操作， 其步骤具体如下。
步骤一： 量取 196 mL 合成基础油 、27 mL 司盘 85 表 面活性剂和 1 mL 磷酸三丁酯消泡剂置入 500 mL 容量的 锥形瓶中， 使用高速搅拌机以 1 300 r/min 的转速搅拌 40 min。
步骤二： 称取 500 g 微米级别的球形铁粉颗粒和 50g 纳米级别的球形铁粉颗粒混合， 再称量 15 g 膨润土触变 剂， 三者加入经步骤一高速搅拌所得的混合液中， 再次 使用高速搅拌机以 1 200 r/min 的转速搅拌 30 min。
步骤三： 称取 3 g 氧化钙干燥剂和 2 g 二硫化钼润滑 剂加入步骤二高速搅拌所得混合液中， 使用高速搅拌机 以 1 800 r/min 的转速搅拌 40 min。
最终所得的混合液即为所配置的磁流变液， 制备工 艺流程如图 3 所示。
2 磁流变液性能检测
2.1 黏度检测
将制备好的磁流变液进行零场黏度的检测， 根据 磁流变减振器上对磁流变液的性能要求， 其黏度需要 1 Pa · s ( 1 000 mPa·s)以 下 。 选 用 的 黏 度 检 测仪器是力辰科技 NDJ- 1 型号的旋转黏度计， 如图 4所示 。
NDJ- 1 型号的旋转黏度计是采用同步电机， 以恒定转速转动， 与标度盘相连， 用游丝及转轴带动转子转动， 若转子不受磁流变液的影响， 则与表盘同速转动， 指针在指针上所指 示的“0”读数 。相反， 当转子遇到磁流变液的黏性阻力 时， 会产生一个力矩， 形成对抗黏性的阻力， 最终达到 一个平衡 。磁流变液的黏度计算公式如下：
η = K ·A ( 1 )
式中： η 为磁流变液零场黏度; K 为测量系数， (不同的 转子和转速其测量系数也不同); A 为指针读数。
根据黏度要求， 所配置的磁流变液零场黏度大小为 600 mPa · s， 小于 1 000 mPa · s， 符合性能要求。
2.2 沉降稳定性检测
磁流变液的沉降稳定性的检测一般采用自然沉降 法[15]， 即将配置好的磁流变液不进行任何外界环境激励， 使其自然静置， 再通过测量储存磁流变液的量筒其分层 (上层为析出的油液层， 下层为磁流变液的悬浮液层) 所 在的刻度， 经过间隔一定的时间记录其沉降率 。沉降率 的公式为：
式中： V 为磁流变液的沉降率; a 为磁流变液在自然沉降 一段时间后出现的上层油液高度; b 为磁流变液在自然 沉降一段时间后出现的下层悬浮液的高度。
在自然静置 6 个月后， 根据实验测量得出 a=18 mL， b=82 mL 。故所配置的磁流变液的沉降率 V= 18%， 小于 在 20%， 且其再分散性良好， 只需轻微搅拌， 便能使颗 粒重新迅速的分散于合成基础油中， 符合性能要求。
3 磁流变液流动模拟与仿真
3.1 模型的建立
对制备的磁流变液进行仿真需要在磁流变减振器中 模拟其工作状况， 首先建立磁流变减振器得三维模型[16]。 基于豪华汽车凯迪拉克 SRX 上的磁流变减振器对其进行 同比例三维模型绘制， 磁流变减振器各结构如图 5 所示。
3.2 有限元仿真模拟
选取的仿真模型为电磁阀主活塞， 其内部结构较为 复杂， 导入与分析计算求解时间较长， 故对模型进行简 化， 如图 6 所示。
导入模型后， 对其进行网格划分 。网格的单元尺寸 设定非常关键， 它可以影响模型最终生成的网格数量， 进而影响后处理的计算时间 、收敛速度等 。一般网格单 元尺寸的确定是根据模型的尺寸来确定， 简化模型的环 形通道宽度为 2 mm， 非磁化通道直径为 2.3 mm， 最终确 定所需划分的单元尺寸为 0.5 mm， 生成模型的网格数量 为 68 792 个。
对模型进行相关设定， 对于 Fluent 自带的材料库均为 常见的单一材料， 较少复合材料与复杂材料， 故需要进行 自定义材料操作。对于所制备的磁流变液各参数进行设定。
接着进行速度入口 inlet 和出口 outlet 的设置， 假设速 度入口为 0.5 m/s， 速度出口按 Fluent 默认设置， 最后进 行解决方案按照以上所选的各个参数进行初始化， 以 in ‐ let 为计算参考， 对其进行 200 次迭代计算， 在 108 次达 到收敛。
3.3 结果分析
将迭代计算完成的结果进行云图显示， 得出磁流变 液流过电磁阀主活塞环形通道与非磁化通道的压力云图 与速度云图， 如图 7 ~ 8 所示 。 由图可知， 磁流变液在主 活塞入口处压力最大， 压力随着磁流变液在通道的流动 从左至右逐渐降低， 在出口处达到最小值 。磁流变液在 通道内的轴向流速几乎不变， 但其径向流速变化较为明 显， 表现为越靠近通道两壁流速越慢， 而越靠近通道中 心的磁流变液流速越快， 这是由于壁与磁流变液产生摩 擦导致。
从非磁化通道与环形间隙通道的云图对比可知， 磁 流变液在主活塞电磁阀的各通道内的压力与流速与各通 道的尺寸有关 。非磁化通道处的磁流变液在入口处的压 力大于环形间隙通道， 且在前半段的压力始终更大， 在 后半段逐渐一致 。 同时， 非磁化通道中心线处的磁流变 液流速也大于环形间隙通道， 且在整个通道的有效长度 内均更大 。非磁化道通的直径更大， 其在入口处的压力 也更大， 中心线处的流速也就越快。
4 结束语
本文通过对磁流变液的组成结构 、工作原理进行研究， 配置了一种具有较高沉降稳定性的磁流变液， 并对 其性能进行了检测， 结果表明所配置的磁流变液零场黏 度低 、沉降稳定性好， 符合磁流变减振器的应用要求。
建立了电磁阀主活塞工作简化模型， 对磁流变液在 活塞内的工作情况进行了仿真 。结果表明磁流变液在主 活塞入口处的压力最大， 随着磁流变液在通道的流动逐渐降低， 在出口处达到最低值 。而流速则由于磁流变液 与通道壁产生摩擦导致通道中心的磁流变液流速大于靠 近通道两壁的磁流变液流速 。并且磁流变液的压力与流 速与通道直径有关， 通道直径越大， 磁流变液在通道内 的压力和流速越大。
参考文献：
[1] 司晓冬, 罗明良,黄万里,等 . 磁流变液智能流体研究进展[J]. 应 用化工:2017.46(9):1783- 1786.
[2] Rabbani Y,Ashtiani M,Hashemabadi S H. An experimental study on the effects of temperature and magnetic field strength on the magnetorheological fluid stability and MR effect[J]. Soft Matter, 2015. 11(22):4453-4460.
[3] Bombard A J, Goncalves F R, Shahrivar K, et al. Tribological be ‐ havior of ionic liquid-based magnetorheological fluids in steel and polymeric point contacts[J]. Tribology International,2015.81: 309-320.
[4] Bossis G,Kuzhir P,López-López M,et al.Preparation of well-dis ‐ persed magnetorheological fluids and effect of dispersion on their MR properties[J]. RheologicaActa,2008.47(7),787-796.
[5] Ido Y, Sumiyoshi H, Tsutsumi H. Computers and Fluids[J]. 2017. 142.86-95.
[6] Okada K, Satoh A. Regime of aggregate structures and magneto- rheological characteristics of a magnetic rod-like particle sus ‐ pension: Monte Carlo and Brownian dynamics simulations[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2017.437.29-41.
[7] 易成建, 彭向和,孙虎 . 基于有限元方法的磁流变液微结构磁 化及宏观力学特性分析[J]. 功能材料,2011.42(8):15- 19.
[8] 王昭轩, 丁建国 . 磁流变液剪切特性的分子动力学模拟[J]. 功 能材料,2019(6):6046-6052.
[9] 熊皓, 罗一平,王维成,等 . 不同 HLB 值的表面活性剂对磁流变 液 沉 降 稳 定 性 能 的 影 响 [J]. 功 能 材 料 , 2019. 50(12): 12126- 12131.
[10] 牛方昊,胡志德,晏华,等 . 油酸 、聚甲基丙烯酸甲酯修饰可磁 化 颗 粒 的 磁 流 变 液 的 流 变 行 为 [J]. 化 工 进 展 , 2018. 37(5): 1888- 1895.
[11] 杨健健,宴华,代军,等 . 磁流变液材料的性能与应用综述[J]. 化工进展,2017.36(1):247-261.
[12] 胡志德,晏华,王雪梅,等 . 触变剂对硅油基磁流变液摩擦磨损 性能的影响[J]. 功能材料,2012.43(5):614-617.
[13] 陈维清,杜成斌, 万发学 . 表面活性剂与触变剂对磁流变液沉 降稳定性的影响[J]. 磁性材料及器件,2010(4):2-3.
[14] 裴培, 彭勇波 . 基于分子动力学的磁流变液微观结构演化模 拟与动态聚合分析[J]. 材料导报,2021.35(12):1-7.
[15] BOMBARD A J, GONÇALVES F R, SHAHRIVAR K, et al. Tri‐ bological behavior of ionic liquid-based magnetorheological flu ‐ ids in steel and polymeric point contacts[J]. Tribology Interna ‐ tional,2015.81:309-320.
[16] 李国杰,李利平,张平,等 . 带旁通孔磁流变减振器动态特性的 研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版),2018.46(12):66-68.
作者简介：
李国全 (1985— )， 男， 江西丰城人， 助理工程师， 研究领域 为空气弹簧与复合电子减振器技术。
陈俊杰 ( 1984— )， 男， 江西南昌人， 博士/博士后， 副教授， 研究领域为智能空气弹簧与智能悬架技术。
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