CN105840718A - 磁流变阻尼器快速优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变阻尼器快速优化设计方法，包括：初步确定缸体横截面内半径和活塞长度；确定磁流变阻尼器形成的磁力线回路的结构约束，根据应用需求调整并确定相关部件结构参数；依据磁力线回路建立等效磁路，磁力线回路总磁阻分割为若干磁阻部分并给出计算公式；基于得到的环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度间关系，检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和，调整相应部件结构参数；绘制环形阻尼缝隙厚度与可调阻尼力、可调系数的关系曲线，根据应用需求最终确定环形阻尼缝隙厚度。本发明解决了传统磁流变阻尼器在结构和磁路设计与优化方面存在的缺点，实现了结构和磁路的快速优化设计。

Description

磁流变阻尼器快速优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种对磁流变阻尼器的结构和磁路进行快速优化设计的方法，属于磁流变阻尼器设计领域。

背景技术

磁流变阻尼器是一种以智能材料磁流变液作为工作介质，通过磁场控制磁流变液的粘度而实现阻尼力调节的阻尼器件，由于其具有可控性好、结构简单、能耗低等优点，在众多领域的结构振动半主动控制应用中具有较好的前景。但是，磁流变阻尼器的结构和磁路的设计与优化是一个十分复杂的过程。传统的磁流变阻尼器结构和磁路的设计与优化方法主要有两种：一是简化方法，将磁路中各导磁材料的磁导率看成常数，基于磁路欧姆定理计算磁路中的磁场，然后对结构进行反复调整，但从实际实施中可以发现，磁场计算结果往往与实际相差较大，没有参考的意义；二是借助于有限元软件，输入各导磁材料的B-H曲线，通过磁路仿真得到磁路中的磁场，经过优化搜索算法或人工反复多次修改结构尺寸，最终选择合理的结构，但此方法的实施过程较耗时，设计效率低。

发明内容

为了解决传统的磁流变阻尼器在结构和磁路的设计与优化方面存在的上述缺点，本发明提出了一种可对磁流变阻尼器的结构和磁路实现快速优化设计的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于，它包括步骤：

步骤一：根据期望的可调阻尼力和可调系数，在环形阻尼缝隙的厚度h取一初值的条件下，基于可调阻尼力公式和设定活塞运动速度条件下的可调系数公式，初步确定磁流变阻尼器的缸体横截面内半径R₄和活塞长度L₀；

步骤二：基于针对磁流变液的B-H曲线设定的环形阻尼缝隙中磁流变液预期的最大磁感应强度，计算环形阻尼缝隙的磁通量Ф，以依据磁通量守恒定律，确定出磁流变阻尼器形成的磁力线回路涉及的结构约束，从而根据应用需求调整并确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数；

步骤三：依据磁流变阻尼器形成的磁力线回路建立等效磁路，将整个磁力线回路的总磁阻R_mag分割为若干磁阻部分并给出各磁阻部分的计算公式；

步骤四：基于各磁阻部分的计算公式估算出励磁线圈加载最大电流值时，在不同环形阻尼缝隙厚度条件下，环形阻尼缝隙中磁流变液的真实磁感应强度，以得到环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度之间的关系，从而检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象，以对磁流变阻尼器相应部件的结构参数实现调整目的；

步骤五：基于可调阻尼力公式和设定活塞运动速度条件下的可调系数公式，绘制出环形阻尼缝隙厚度与可调阻尼力的关系曲线图以及环形阻尼缝隙厚度与可调系数的关系曲线图，以根据应用需求最终确定环形阻尼缝隙厚度h的取值，以对上述求出的相应结构参数实现调整。

本发明的优点是：

1、本发明方法从磁流变阻尼器的应用需求出发，将磁路设计与结构设计相结合，既不会出现磁路过饱和，又能充分利用结构空间，使磁路与结构达到最佳的匹配，使得磁流变液在环形阻尼缝隙中能充分发挥流变效应，提高磁流变阻尼器的可控性能。

2、本发明方法采用一套数值计算方法对结构和磁路进行设计与优化，计算过程中考虑了磁路中导磁材料的磁导率随磁感应强度呈现的非线性特征，结果准确可靠，有据可依，并且可快速实现，大大简化了优化设计的过程，设计效率高，大大降低了设计人员对经验及有限元软件的依赖。

附图说明

图1是典型磁流变阻尼器的结构示意图。

图2是图1所示磁流变阻尼器的磁路和结构简化图(未示出活塞杆)。

图3是本发明的实施流程图。

图4是通常类型的磁流变液的B-H曲线图。

图5是导磁材料45号钢的B-H曲线图。

图6是本发明实施例中磁流变液的剪切屈服强度随磁感应强度的变化曲线图。

图7是本发明实施例中当h＝1mm时，绘制出的|B₁-B₀|与B₀之间的关系曲线图。

图8是本发明实施例中绘制出的环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度的关系曲线图。

图9是本发明实施例中绘制出的环形阻尼缝隙厚度与可调阻尼力、可调系数的关系曲线图。

具体实施方式

本发明磁流变阻尼器快速优化设计方法适用于对各种类型磁流变阻尼器的结构和磁路进行设计与优化，下面以图1示出的典型磁流变阻尼器为例说明，但并不局限于此。

如图1，典型的磁流变阻尼器包括缸体10，缸体10内设有活塞，活塞与活塞杆20固定连接，活塞在活塞杆20的推动作用下可在缸体10内运动，根据实际需要，缸体10内可安装控制活塞运动的导向装置(图中未示出)，导向装置可为各种形式，没有限制。如图1，活塞包括与活塞杆20连接的铁芯31，铁芯31的外周壁上加工有线槽(图中未标出)。如图1，铁芯31可视为由通体部311和形成线槽的两个翼缘312构成。线槽内缠绕励磁线圈32后，铁芯31外周壁和励磁线圈32与缸体10内壁之间形成环形阻尼缝隙35。在实际应用时，铁芯31外周壁和励磁线圈32的外面还可再套有导磁保护环33和隔磁保护环34，隔磁保护环34位于中间、与励磁线圈32相对，导磁保护环33位于隔磁保护环34两边，这样，导磁保护环33和隔磁保护环34与缸体10内壁之间形成环形阻尼缝隙35。环形阻尼缝隙35中填充磁流变液，如图2，环形阻尼缝隙35中示出的黑点代表磁流变液。在制作时，活塞杆20、铁芯31、导磁保护环33、缸体10通常为导磁性能较好的纯铁、碳钢或合金钢等导磁材料制成，隔磁保护环34通常为不导磁的铜或不锈钢制成。

根据对称性，以磁流变阻尼器的轴线M为对称轴，图1所示的磁流变阻尼器的磁路和结构简化后如图2所示。在图2中，L₀为活塞长度，L₁为导磁保护环33的长度，L₂为隔磁保护环34的长度，L₃为铁芯31的翼缘312长度，L₄为线槽的长度，R₁为铁芯31的通体部311的横截面半径，R₂为铁芯31的翼缘312横截面半径，R₃为导磁保护环33的横截面外半径，R₄为缸体10横截面内半径，R₅为缸体10横截面外半径，h为环形阻尼缝隙35的厚度。

需要说明的是，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，其各部件的结构参数也可参照图2来理解，在此不再赘述。

如图3，本发明磁流变阻尼器快速优化设计方法包括步骤：

步骤一：根据实际应用需求中期望的可调阻尼力和可调系数，在环形阻尼缝隙35的厚度h取一初值的条件下，基于可调阻尼力公式(式3)或式3’))和设定活塞运动速度条件下的可调系数公式(式4)或式4’))，初步确定磁流变阻尼器的缸体横截面内半径R₄和活塞长度L₀；

步骤二：基于针对磁流变液的B-H曲线设定的环形阻尼缝隙中磁流变液预期的最大磁感应强度，计算环形阻尼缝隙35的磁通量Ф，以依据磁通量守恒定律，确定出磁流变阻尼器形成的磁力线回路(简称磁路)涉及的结构约束，从而根据应用需求调整并确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数；

步骤三：依据磁流变阻尼器形成的磁力线回路建立等效磁路，将整个磁力线回路的总磁阻R_mag分割为若干磁阻部分并给出各磁阻部分的计算公式；

步骤四：基于各磁阻部分的计算公式估算出励磁线圈32加载最大电流值时，在不同环形阻尼缝隙厚度条件下，环形阻尼缝隙35中磁流变液的真实磁感应强度，以得到环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度之间的关系，从而一方面检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象，以对磁流变阻尼器相应部件的结构参数实现调整目的，另一方面为建立下述步骤五中可调阻尼力F_τ及可调系数χ与环形阻尼缝隙厚度之间的关系提供基础；

步骤五：基于可调阻尼力公式和设定活塞运动速度条件下的可调系数公式，绘制出环形阻尼缝隙厚度与可调阻尼力的关系曲线图以及环形阻尼缝隙厚度与可调系数的关系曲线图，以根据应用需求最终确定环形阻尼缝隙厚度h的取值，以对上述求出的某一或某几个结构参数实现调整。

从而通过上述步骤一至五，在基于磁路得到优化设计的基础上，本发明最终确定出了磁流变阻尼器各部件的结构参数，完成了对磁流变阻尼器的整体设计。

在实际设计中，可调阻尼力和可调系数是设计磁流变阻尼器时需要考察的两个重要力学性能指标。

磁流变阻尼器的阻尼力近似表示为下式1)：

$F=\frac{12\mathrm{\η}(2L_1+L_2)A_P^2{v}_d}{\mathrm{\π}(R_3+R_4)h^3}+\frac{6L_1{\mathrm{\τ}}_B{A}_P}{h}---1)$

式1)中，η是磁流变液的零场粘度，τ_B是磁流变液的剪切屈服强度，与磁感应强度有关，A_P是活塞的有效横截面面积，其中R_rod是活塞杆20的横截面半径，h是环形阻尼缝隙35的厚度，h一般介于0.5mm～2mm，v_d是活塞的运动速度。

式1)中，第一项是零场阻尼力，记为F_η，是阻尼力中的不可调部分，第二项是可调阻尼力，记为F_τ，是阻尼力中的可调部分。可调阻尼力与零场阻尼力的比值为可调系数χ，如下式2)：

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\π\τ}}_B{L}_1(R_3+R_4)h^2}{2\mathrm{\η}(2L_1+L_2)A_P{v}_d}---2)$

通过公式h＝R₄-R₃，式2)变为下式4)：

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\π\τ}}_B{L}_1(2R_3+h)h^2}{2\mathrm{\η}(2L_1+L_2)A_P{v}_d}---4)$

隔磁保护环34的作用是迫使磁力线穿过环形阻尼缝隙35形成磁力线回路，而不是经过隔磁保护环34形成磁力线回路，在满足隔磁要求的前提下，隔磁保护环34越短越有利于提高整个环形阻尼缝隙35中产生磁感应部分的长度所占比例进而有利于提高磁流变阻尼器的可调系数χ，式中L₂为隔磁保护环34的长度，L₂通常介于4mm～6mm。

在本发明中，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤一具体包括：

1-1)环形阻尼缝隙35的厚度h在取值范围0.5mm～2mm中任取一数值作为初值，在磁流变液的性能参数η和τ_B已知的条件下，根据下式3)、4)，由期望的可调阻尼力F_τ及设定的活塞运动速度v_d条件下的可调系数χ，求出导磁保护环33的横截面外半径R₃和长度L₁，

$F_{\mathrm{\τ}}=\frac{6L_1{\mathrm{\τ}}_B{A}_P}{h}---3)$

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\π\τ}}_B{L}_1(2R_3+h)h^2}{2\mathrm{\η}(2L_1+L_2)A_P{v}_d}---4)$

上式3)、4)中，η是磁流变液的零场粘度，τ_B是磁流变液的剪切屈服强度，A_P是活塞的有效横截面面积，L₁为导磁保护环33的长度，L₂为隔磁保护环34的长度且取值范围为4mm～6mm，R₃为导磁保护环33的横截面外半径，

1-2)由公式R₄＝h+R₃求出磁流变阻尼器的缸体10横截面内半径R₄以及由公式L₀＝2L₁+L₂求出活塞长度L₀。

而在本发明中，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤一具体包括：

1-1’)环形阻尼缝隙35的厚度h在取值范围0.5mm～2mm中任取一数值作为初值，在磁流变液的性能参数η和τ_B已知的条件下，根据下式3’)、4’)，由期望的可调阻尼力F_τ及设定的活塞运动速度v_d条件下的可调系数χ，求出铁芯31的翼缘312横截面半径R₂和长度L₃，

$F_{\mathrm{\τ}}=\frac{6L_3{\mathrm{\τ}}_B{A}_P}{h}---3^{,})$

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\π\τ}}_B{L}_3(2R_2+h)h^2}{2\mathrm{\η}(2L_3+L_4)A_P{v}_d}---4^{,})$

上式3’)、4’)中，η是磁流变液的零场粘度，τ_B是磁流变液的剪切屈服强度，A_P是活塞的有效横截面面积，L₃为铁芯31的翼缘312长度，L₄为线槽的长度且取值范围一般为1.5倍～2倍的铁芯31的翼缘312长度L₃，R₂为铁芯31的翼缘312横截面半径，

1-2’)由公式R₄＝h+R₂求出磁流变阻尼器的缸体10横截面内半径R₄以及由公式L₀＝2L₃+L₄求出活塞长度L₀。

在实际实施时，由上述步骤一得到的缸体10横截面内半径R₄和活塞长度L₀应符合实际应用的需求，如活塞长度L₀应符合磁流变阻尼器对有效行程的要求，缸体横截面内半径R₄应尽可能地选择标准的管材来降低成本。

若活塞长度L₀或缸体横截面内半径R₄不符合应用需求，则应调整期望的可调阻尼力F_τ和/或可调系数χ，重新计算缸体横截面内半径R₄及活塞长度L₀。

在实际中，若求出的导磁保护环33的长度L₁过长，则磁流变阻尼器应考虑采用多段式活塞。需要注意的是，式3)、3’)中的可调阻尼力F_τ针对的是单段活塞的可调阻尼力。对于具有多段式活塞的磁流变阻尼器，应将可调阻尼力平均分配至活塞各段，而可调系数χ与活塞的段数无关。

多段式活塞有如下优点：一是多个励磁线圈可并联反串连接，使相邻两个励磁线圈产生的磁场极性相反，有利于提高磁流变阻尼器的电磁响应速度；二是多段式活塞可降低铁芯磁通量的负担，有利于提高环形阻尼缝隙中的磁感应强度，提高磁流变阻尼器的可调性能；三是多段式活塞可降低缸体各段磁通量的负担，因此可减小缸体的壁厚，减小磁流变阻尼器的重量。

在本发明中，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，在步骤二中，磁力线回路涉及的结构约束包括缸体10壁厚约束公式(式6))、铁芯31的通体部311的横截面半径约束公式(式7))、铁芯31的翼缘312长度约束公式(式8))、导磁保护环33的厚度约束公式(式9))，而相应确定出的磁流变阻尼器相关部件的结构参数可包括导磁保护环长度L₁、隔磁保护环长度L₂、铁芯翼缘长度L₃、线槽长度L₄、铁芯通体部横截面半径R₁、铁芯翼缘横截面半径R₂、缸体横截面内半径R₄、缸体横截面外半径R₅和线槽内缠绕的励磁线圈匝数N。当然，在实际应用时，上述结构约束及相关部件的结构参数并不局限于此。

在本发明中，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，在步骤二中，磁力线回路涉及的结构约束包括缸体10壁厚约束公式(式6))、铁芯31通体部311的横截面半径约束公式(式7))、铁芯31的翼缘312长度约束公式(式8)))，而相应确定出的磁流变阻尼器相关部件的结构参数可包括铁芯翼缘长度L₃、线槽长度L₄、铁芯通体部横截面半径R₁、铁芯翼缘横截面半径R₂、缸体横截面内半径R₄、缸体横截面外半径R₅和线槽内缠绕的励磁线圈匝数N。当然，在实际应用时，上述结构约束及相关部件的结构参数并不局限于此。

在实际设计中，为了避免局部磁饱和的过早发生，确保磁流变阻尼器的可控性，整个磁路中几处容易达到饱和的部位应作为磁路设计的约束。确定磁路设计的约束方法是，依据磁通量守恒定律，当环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度达到最大值时，设定磁力线回路中的各个关键横截面的磁感应强度同时达到最大值，从而有效抑制磁场的局部饱和瓶颈效应。

在本发明中，关键横截面选为缸体10横截面、铁芯31的通体部311横截面、铁芯31的翼缘312纵截面、导磁保护环33横截面。

于是，在本发明中，进一步地，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤二具体包括：

2-1)基于下式5)求出环形阻尼缝隙35的磁通量Ф：

Ф＝B_gapπ(R₃+R₄)L₁ 5)

式5)中，B_gap为环形阻尼缝隙35中磁流变液预期的最大磁感应强度，R₄为缸体10横截面内半径，R₃为导磁保护环33的横截面外半径，L₁为导磁保护环33的长度，

2-2)依据磁通量守恒定律，通过下式6)～9)确定出磁力线回路涉及的结构约束：

缸体10的壁厚应满足下式6)：

$(R_5^2-R_4^2)\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}---6)$

式6)中，B_steel为制作缸体10的导磁材料的最大磁感应强度，R₅为缸体10横截面外半径，

铁芯31通体部311的横截面半径R₁应满足下式7)：

$R_1\≥\sqrt{\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}}---7)$

铁芯31的翼缘312长度L₃应满足下式8)：

$L_3\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{2{\mathrm{\πR}}_1{B}_{steel}}---8)$

导磁保护环33的厚度应满足下式9)：

$(R_3^2-R_2^2)\≥\frac{L_1-L_3}{L_1}\·\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}---9)$

式9)中，R₂为铁芯31的翼缘312横截面半径，

2-3)根据应用需求，基于上述磁力线回路涉及的结构约束，根据应用需求确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数(没有限制)，以及按下式10)估算出线槽内缠绕的励磁线圈32的匝数N：

$N=0.8\·\[\frac{(R_2-R_1)}{d}\]\·\[\frac{L_4}{d}\]---10)$

式10)中，d为励磁线圈32所用漆包线的直径，L₄为线槽的长度，[]表示取整。

在本发明中，进一步地，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤二具体包括：

2-1’)基于下式5’)求出环形阻尼缝隙35的磁通量Ф：

Φ＝B_gapπ(R₂+R₄)L₃ 5’)

式5’)中，B_gap为环形阻尼缝隙35中磁流变液预期的最大磁感应强度，R₄为缸体10横截面内半径，R₂为铁芯31的翼缘312横截面半径，L₃为铁芯31的翼缘312长度，

2-2’)依据磁通量守恒定律，通过下式6)～8)确定出磁力线回路涉及的结构约束：

缸体10的壁厚应满足下式6)：

$(R_5^2-R_4^2)\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}---6)$

式6)中，B_steel为制作缸体10的导磁材料的最大磁感应强度，R₅为缸体10横截面外半径，

铁芯31通体部311的横截面半径R₁应满足下式7)：

$R_1\≥\sqrt{\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}}---7)$

铁芯31的翼缘312长度L₃应满足下式8)：

$L_3\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{2{\mathrm{\πR}}_1{B}_{steel}}---8)$

2-3’)根据应用需求，基于上述磁力线回路涉及的结构约束，根据应用需求确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数(没有限制)，以及按下式10)估算出线槽内缠绕的励磁线圈32的匝数N：

$N=0.8\·\[\frac{(R_2-R_1)}{d}\]\·\[\frac{L_4}{d}\]---10)$

式10)中，d为励磁线圈32所用漆包线的直径，L₄为线槽的长度，[]表示取整。

在设计磁流变阻尼器时，磁路(磁力线回路)中涉及的各导磁材料的导磁能力不是无限的，往往存在磁饱和强度。例如，某类型磁流变液的B-H曲线如图4所示，其磁饱和强度为0.8T，从磁流变阻尼器的可控性来说，环形阻尼缝隙35中的磁流变液的磁感应强度越大越好，但从图4所示的磁流变液B-H曲线来看，若要使磁流变液的磁感应强度大于0.7T，则需要励磁线圈32提供较大的磁动势来克服磁阻，这在有限的空间内是难以实现的。因此若采用图4所示类型磁流变液，则从图4所示的B-H曲线进行分析后，本发明可设定环形阻尼缝隙35中磁流变液的最大磁感应强度B_gap介于0.5T～0.7T。例如，若铁芯31、导磁保护环33、缸体10为45号钢材料制成，45号钢的B-H曲线如图5所示，其磁饱和强度为1.9T，并且同理，越接近45号钢的磁饱和强度，其磁阻越大，越需要更大的安匝数来提供磁动势，励磁效率也越低，因此在磁路设计过程中，本发明可设定导磁材料45号钢的最大磁感应强度B_stee1介于1.5T～1.8T。

在实际设计中，环形阻尼缝隙厚度h是一个关键参数，其对磁流变阻尼器的性能有较大影响，步骤一中仅为h假定了一个初值，h的最终取值要结合磁场和磁流变阻尼器的力学性能来综合确定。若环形阻尼缝隙厚度h过大，则磁路的磁阻太大，线槽内缠绕的励磁线圈无法提供足够的磁动势，导致环形阻尼缝隙中的磁感应强度较低，使得τ_B较小，不利于提高磁流变阻尼器的可调阻尼力F_τ，而环形阻尼缝隙是整个磁路主要的磁势降落区，减小环形阻尼缝隙厚度可以显著地增大环形阻尼缝隙中的磁感应强度。若环形阻尼缝隙厚度h过小，虽然环形阻尼缝隙中的磁感应强度相对较高，可调阻尼力F_τ较大，但存在两方面的问题：一是线槽内缠绕的励磁线圈提供了过量的磁动势，磁路出现磁饱和，磁路效率低；二是可调系数χ与h²成正比，过小的环形阻尼缝隙厚度h意味着较低的可调系数χ。因此，磁路优化的目标就是通过反复调整环形阻尼缝隙厚度h，使得当励磁电流I达到最大值时，磁路接近饱和，励磁线圈提供的磁动势与磁阻达到最佳匹配，使可调阻尼力F_τ和可调系数χ取得合理的值。

由上述的分析可知，对环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁场进行准确的估算是确定环形阻尼缝隙厚度h的必要前提。

磁路欧姆定律是磁路计算的基础，磁路欧姆定律表述为下式11)：

NI＝ΦR_mag 11)

式11)中，N是励磁线圈32的匝数，I是励磁线圈32加载的电流，Ф是磁力线回路的磁通量，R_mag为整个磁力线回路的总磁阻，

磁通量Ф的计算式为：

Ф＝∫_SBdS 12)

式12)中，B为磁感应强度，S为横截面面积。忽略磁力线的泄露，设定整个磁力线回路中的任意一个横截面的磁通量Ф是相同的。

总磁阻R_mag通过下式13)计算：

$R_{mag}={\∫}_L\frac{1}{\mathrm{\μ}S}dl---13)$

式13)中，L是整个磁力线回路的长度，μ为磁力线回路涉及的导磁材料的磁导率，由于大部分导磁材料的磁导率并非常数，是随磁场强度不同而发生变化，呈现非线性，因此即使是同一个部件，其不同部位的磁导率也是不相同的，需要将此部件劈分为多个部分，甚至是采用微积分的方法来分别计算磁导率。

如图2所示，由于隔磁保护环34主要起磁场隔离的作用，迫使磁力线穿过环形阻尼缝隙35，其磁阻远远大于其它部件。因此，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器来说，铁芯31、导磁保护环33、缸体10形成串联的磁力线回路，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器来说，铁芯31、缸体10形成串联的磁力线回路。

于是，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤三中的磁力线回路的总磁阻R_mag可分割为铁芯磁阻R_mag1、导磁环磁阻R_mag2、磁流变液磁阻R_mag3、缸体磁阻R_mag4，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤三中的磁力线回路的总磁阻R_mag可分割为铁芯磁阻R_mag1、磁流变液磁阻R_mag3、缸体磁阻R_mag4。当然，磁力线回路的总磁阻R_mag的分割并不局限于上述。

具体来说，在本发明中，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤三具体包括：

将整个磁力线回路的总磁阻R_mag等效为铁芯磁阻R_mag1、导磁环磁阻R_mag2、磁流变液磁阻R_mag3、缸体磁阻R_mag4四个磁阻部分的串联，即R_mag＝R_mag1+R_mag2+R_mag3+R_mag4，于是基于上式13)，给出各磁阻部分的近似计算公式如下：

$R_{mag1}=\frac{L_3+L_4}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\πR}}_1^2}+2{\∫}_{R_1}^{R_2}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1\·2{\mathrm{\πRL}}_3}dR---14)$

$R_{mag2}=2{\∫}_{R_2}^{R_3}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_2\·2{\mathrm{\πRL}}_1}dR---15)$

$R_{mag3}=2\frac{R_4-R_3}{{\mathrm{\μ}}_3\·\mathrm{\π}(R_4+R_3)L_1}---16)$

$R_{mag4}=\frac{L_1+L_2}{{\mathrm{\μ}}_4\·\mathrm{\π}(R_5^2-R_4^2)}---17)$

上式14)～17)中，μ₁、μ₂、μ₃、μ₄分别为铁芯31、导磁保护环33、磁流变液、缸体10各部件的磁导率，依据各部件材料的B-H曲线来确定，R在式14)中表示铁芯31翼缘312的半径，R在式15)中表示导磁保护环33的半径。

由式14)可知，铁芯31的磁阻R_mag1分为两部分来计算，铁芯31通体部311的磁场较为均匀，其磁导率与所处部位无关，视为圆柱体来计算磁阻，铁芯31翼缘312的磁场随其半径不同会有明显的变化，磁导率与所处部位(半径)有关，故采用微积分来计算。同理，参见式15)，导磁保护环33的磁阻R_mag2也采用微积分来计算。参见式16)，环形阻尼缝隙35的感应部分中的磁流变液可视为径向薄圆环，其磁阻R_mag3不需要考虑半径变化的影响。而参见式17)，缸体10的磁场分布较为均匀，其磁阻R_mag4可将缸体10视为轴向圆环来计算。

上式11)～17)构成了磁路计算的理论基础，若整个磁路所用导磁材料的磁导率都为常数，那么依据式11)～17)即可计算出磁力线回路中任意一个横截面的磁感应强度。

具体来说，在本发明中，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤三具体包括：

将整个磁力线回路的总磁阻R_mag等效为铁芯磁阻R_mag1、磁流变液磁阻R_mag3、缸体磁阻R_mag4三个磁阻部分的串联，即R_mag＝R_mag1+R_mag3+R_mag4，于是基于上式13)，给出各磁阻部分的近似计算公式如下：

$R_{mag1}=\frac{L_3+L_4}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\πR}}_1^2}+2{\∫}_{R_1}^{R_2}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1\·2{\mathrm{\πRL}}_3}dR---14)$

$R_{mag3}=2\frac{R_4-R_3}{{\mathrm{\μ}}_3\·\mathrm{\π}(R_4+R_3)L_1}---16)$

$R_{mag4}=\frac{L_1+L_2}{{\mathrm{\μ}}_4\·\mathrm{\π}(R_5^2-R_4^2)}---17)$

上式14)、16)、17)中，μ₁、μ₃、μ₄分别为铁芯31、磁流变液、缸体10各部件的磁导率，依据各部件的材料的B-H曲线来确定，R是在式14)中表示铁芯31翼缘312的半径。

在实际设计中，考察磁流变阻尼器的磁路设计的合理性，就是在励磁线圈32加载最大电流时，查看磁路是否出现磁动势不足或过饱和。由于各种导磁材料的导磁率是随磁场强度(或磁感应强度)而变化的，无法直接采用式11)～17)计算得到环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度。因此，本发明采用了一套数值计算方法来快速计算励磁线圈32加载最大电流值I，环形阻尼缝隙厚度h在取值范围内取不同值时，环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度，具体来说：

在本发明中，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤四具体包括：

4-1)设定励磁线圈32加载的最大电流值I，给环形阻尼缝隙厚度h(0.5mm≤h≤2.0mm)设定一计算初值；

4-2)假设环形阻尼缝隙35中的磁感应强度为B₀(0T＜B₀≤2.0T)；

4-3)基于公式B₀π(R₃+R₄)L₁计算出环形阻尼缝隙35的磁通量，记为Ф₀；

4-4)依据磁通量守恒定律，由磁通量Ф₀计算出磁力线回路中缸体10横截面、铁芯31的通体部311横截面、铁芯31的翼缘312纵截面、导磁保护环33横截面的磁感应强度，并由铁芯31、导磁保护环33、磁流变液、缸体10对应的各导磁材料的B-H曲线分别得到铁芯31、导磁保护环33、磁流变液、缸体10的磁导率，计算出磁力线回路中铁芯31、导磁保护环33、磁流变液、缸体10涉及的四个磁阻部分的磁阻，以计算出总磁阻R_mag；

4-5)依据磁路欧姆定律(式11))计算出环形阻尼缝隙35的磁通量，记为Ф₁，从而基于公式计算出环形阻尼缝隙35中的磁感应强度，记为B₁；

4-6)判断|B₁-B₀|是否小于阈值δ(δ为可接受的误差)：若是，则假设的磁感应强度B₀为当前最大电流值I和当前环形阻尼缝隙厚度h下的真实磁感应强度；若否，则调整B₀，重复执行4-3)～4-6)，直至|B₁-B₀|小于阈值δ；

4-7)调整环形阻尼缝隙35的厚度h，重复执行4-2)～4-6)，绘制出环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度的关系曲线图；

4-8)检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象，即检验环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度是否处在一个合理的范围内：若出现磁动势不足或过饱和现象，则重新确定磁流变阻尼器相应部件(哪一部件视实际情况灵活选择)的结构参数，重复执行4-1)～4-8)；若未出现磁动势不足或过饱和现象，则继续下面的步骤五。

在本发明中，对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，步骤四具体包括：

4-1’)设定励磁线圈32加载的最大电流值I，给环形阻尼缝隙厚度h(0.5mm≤h≤2.0mm)设定一计算初值；

4-2’)假设环形阻尼缝隙35中的磁感应强度为B₀(0T＜B₀≤2.0T)；

4-3’)基于公式B₀π(R₂+R₄)L₃计算出环形阻尼缝隙35的磁通量，记为Ф₀；

4-4’)依据磁通量守恒定律，由磁通量Ф₀计算出磁力线回路中缸体10横截面、铁芯31的通体部311横截面、铁芯31的翼缘312纵截面的磁感应强度，并由铁芯31、磁流变液、缸体10对应的各导磁材料的B-H曲线分别得到铁芯31、磁流变液、缸体10的磁导率，计算出磁力线回路中铁芯31、磁流变液、缸体10涉及的三个磁阻部分的磁阻，以计算出总磁阻R_mag；

4-5’)依据磁路欧姆定律(式11))计算出环形阻尼缝隙35的磁通量，记为Ф₁，从而基于公式计算出环形阻尼缝隙35中的磁感应强度，记为B₁；

4-6’)判断|B₁-B₀|是否小于阈值δ(δ为可接受的误差)：若是，则假设的磁感应强度B₀为当前最大电流值I和当前环形阻尼缝隙厚度h下的真实磁感应强度；若否，则调整B₀，重复执行4-3’)～4-6’)，直至|B₁-B₀|小于阈值δ；

4-7’)调整环形阻尼缝隙35的厚度h，重复执行4-2’)～4-6’)，绘制出环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度的关系曲线图；

4-8’)检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象，即检验环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度是否处在一个合理的范围内：若出现磁动势不足或过饱和现象，则重新确定磁流变阻尼器相应部件的结构参数，重复执行4-1’)～4-8’)；若未出现磁动势不足或过饱和现象，则继续下面的步骤五。

在实际实施中，进一步说，将步骤四中的励磁线圈32加载的电流值设置为最大值而调整环形阻尼缝隙厚度，可绘制出励磁线圈32加载最大电流的条件下，环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度与不同环形阻尼缝隙厚度的关系曲线图，从而可对磁路是否出现磁动势不足或磁场过饱和进行检验。若环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度在环形阻尼缝隙厚度的大部分取值下都小于0.5T，则意味着励磁线圈32提供的磁动势不足，则需要减小每段活塞的导磁保护环33的长度(在活塞总长度受约束的情况下，活塞段数可以增加)，来降低磁路的磁通量负担，并且需要重新确定步骤二中磁力线回路涉及的各部件的结构约束，空出更多的线槽空间来增加励磁线圈32的匝数。相反，若环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度在环形阻尼缝隙厚度的大部分取值下都大于0.7T，则意味着励磁线圈32提供的磁动势过量(磁场过饱和)，那么可增大每段活塞的导磁保护环33的长度，缩小线槽空间，减少励磁线圈32的匝数。

在实际设计中，本发明中的步骤五可具体包括：

基于磁流变液的τ_B-B曲线(即磁流变液的剪切屈服强度与环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度的关系曲线图)，通过可调阻尼力公式(式3)或式3’))、设定活塞运动速度条件下的可调系数公式(式4)或式4’))分别计算出不同环形阻尼缝隙厚度h下的可调阻尼力F_τ、可调系数χ，以绘制出环形阻尼缝隙35的厚度h分别与可调阻尼力F_τ、可调系数χ的关系曲线图，从而根据应用需求来最终确定出环形阻尼缝隙35的厚度h的取值，以对通过上面各步骤求出的相应某一或某几个结构参数(根据实际需求而定，没有限制)进行调整。

在实际实施时，对于设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，可调阻尼力公式采用式3)，设定活塞运动速度条件下的可调系数公式采用式4)，而对于未设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器，可调阻尼力公式则采用式3’)，设定活塞运动速度条件下的可调系数公式采用式4’)。

下面以设置导磁保护环33和隔磁保护环34的磁流变阻尼器举例说明：

假设待优化设计的磁流变阻尼器所期望的可调阻尼力F_τ为4500N，在设定的活塞运动速度v_d为0.5m/s条件下的可调系数χ为4.0，则首先，取环形阻尼缝隙厚度h的初值为1.5mm，并且取隔磁保护环34的长度L₂为5mm，设定磁流变液的零场粘度η为0.5Pa·s，磁流变液的剪切屈服强度τ_B随磁感应强度的变化曲线如图6所示，其中，取磁感应强度为0.6T时的剪切屈服强度32KPa。

于是根据式3)、4)，计算出导磁保护环33的横截面外半径R₃为30.2mm，以及导磁保护环33的长度L₁为12.5mm，从而计算出缸体10横截面内半径R₄为31.7mm，活塞长度L₀为30mm。

设定环形阻尼缝隙35中磁流变液的最大磁感应强度B_gap为0.6T，基于式5)求出环形阻尼缝隙35的磁通量Ф为0.0015Wb。

假设除隔磁保护环34以外，活塞的其它部件所用的导磁材料为45号钢，设定45号钢的最大磁感应强度B_steel为1.8T，于是：

由式6)求出缸体10横截面外半径R₅为35.5mm，于是缸体10可选择横截面内半径R₄为31.5mm、壁厚4mm的标准管材来制作，即将缸体10横截面内半径R₄修正为31.5mm。

由式7)、8)可计算出铁芯31的通体部311的横截面半径R₁≥16.1mm，铁芯31的翼缘312长度L₃≥8mm，考虑到铁芯31易成为整个磁路的瓶颈，故取R₁＝17mm，L₃＝8mm。

由式9)可计算出铁芯31的翼缘312横截面半径R₂≤28.6mm，于是可计算出导磁保护环33的厚度(R₃-R₂)应大于等于1.6mm，考虑到强度及加工装配，导磁保护环33的厚度至少应设为3mm。

为了保证线槽深度不受环形阻尼缝隙厚度h变化的影响，将导磁保护环33的厚度与环形阻尼缝隙厚度之和(R₄-R₂)设定为一个定值5mm，则铁芯31的翼缘312横截面半径R₂＝R₄-5＝26.5mm。

于是，线槽的长度L₄＝2L₁+L₂-2L₃＝14mm，线槽的深度(R₂-R₁)为9.5mm。假设选用直径为0.5mm的漆包线绕制励磁线圈32，那么由式10)计算出励磁线圈32的匝数N＝425。

将上述求出的磁流变阻尼器的各部件结构参数进行整理，如下表1所示。表1中的R₃取值暂不能确定，须最终确定出环形阻尼缝隙厚度h的取值后通过R₃＝R₄-h计算得到。

表1

结构参数	L1	L2	L3	L4	R1	R2	R3	R4	R5	N
											数值(mm)	12.5	5	8	14	17	26.5	-	31.5	35.5	425

采用0.5mm直径漆包线的励磁线圈32允许的最大电流为2A，因此励磁线圈32的最大磁动势为850安匝。

在已知磁动势NI及表1所示结构参数的条件下，当环形阻尼缝隙厚度h取某一值时，由于磁流变液及45号钢的磁导率随磁感应强度B呈现非线性关系，无法直接确定磁路中各部件的磁导率，无法计算磁路的磁阻及磁感应强度，因此采用磁阻估算方法，即给出式14)～17)。

于是，设定励磁线圈32加载的电流最大值为2A，通过步骤四计算出环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度随环形阻尼缝隙厚度h的对应变化曲线。这里需要说明的是，计算环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度与环形缝隙厚度h的对应关系是一个反复的“假定-推理-对比”的迭代过程。

以h取1mm为例，改变假定值B₀，经过理论计算得到推理值B₁，假定值与推理值的误差|B₁-B₀|随B₀的变化绘制出图7所示曲线，于是可以看出，当B₀＝0.61时，|B₁-B₀|取得最小值，小于阈值δ，因此当h＝1mm时，环形阻尼缝隙35中的磁感应强度为0.61T。依此类推，调整环形阻尼缝隙厚度h，从而得到环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度h的关系曲线，如图8所示。图8示出的环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度的对应关系曲线一方面为建立可调阻尼力F_τ及可调系数χ与环形阻尼缝隙厚度h之间的关系曲线提供基础，另一方面可用来考察磁路设计的合理性，具体来说，从图8可以看到，环形阻尼缝隙35中磁流变液的磁感应强度在0.5T～0.65T的范围内，没有出现磁动势不足或磁路过饱和，因而说明磁路设计合理，无需调整上述确定的结构参数。

于是，基于图6所示的磁流变液的τ_B-B曲线图，通过式3)、4)分别计算出不同环形阻尼缝隙厚度h下的可调阻尼力F_τ、可调系数χ，从而绘制出环形阻尼缝隙厚度h与可调阻尼力F_τ的关系曲线图以及环形阻尼缝隙厚度h与可调系数χ的关系曲线图，如图9所示。

由图9可知，可调系数χ随环形阻尼缝隙厚度h的增大而增大，而可调阻尼力F_τ随厚度h的增大而减小，可调系数χ与可调阻尼力F_τ之间是矛盾的，因此，环形阻尼缝隙厚度h须根据应用需求折中确定。

当环形阻尼缝隙厚度h为1.5mm时，由图9可知，此时可调阻尼力F_τ为4400N，可调系数χ为4.2(v_d＝0.5m/s条件下)，可基本符合磁流变阻尼器的设计要求，故而最终将环形阻尼缝隙厚度h确定为1.5mm。

于是，完善上表1，令R₃＝R₄-h＝31.5-1.5＝30mm。最终完成对磁流变阻尼器各部件的结构优化设计以及磁路的优化设计。

本发明的优点是：

1、本发明方法从磁流变阻尼器的应用需求出发，将磁路设计与结构设计相结合，既不会出现磁路过饱和，又能充分利用结构空间，使磁路与结构达到最佳的匹配，使得磁流变液在环形阻尼缝隙中能充分发挥流变效应，提高磁流变阻尼器的可控性能。

2、本发明方法采用一套数值计算方法对结构和磁路进行设计与优化，计算过程中考虑了磁路中导磁材料的磁导率随磁感应强度呈现的非线性特征，结果准确可靠，有据可依，并且可快速实现，大大简化了优化设计的过程，设计效率高，大大降低了设计人员对经验及有限元软件的依赖。

本发明可适用于对各种类型磁流变阻尼器的结构和磁路进行优化设计。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于，它包括步骤：

步骤一：根据期望的可调阻尼力和可调系数，在环形阻尼缝隙的厚度h取一初值的条件下，基于可调阻尼力公式和设定活塞运动速度条件下的可调系数公式，初步确定磁流变阻尼器的缸体横截面内半径R₄和活塞长度L₀；

步骤二：基于针对磁流变液的B-H曲线设定的环形阻尼缝隙中磁流变液预期的最大磁感应强度，计算环形阻尼缝隙的磁通量Φ，以依据磁通量守恒定律，确定出磁流变阻尼器形成的磁力线回路涉及的结构约束，从而根据应用需求调整并确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数；

步骤三：依据磁流变阻尼器形成的磁力线回路建立等效磁路，将整个磁力线回路的总磁阻R_mag分割为若干磁阻部分并给出各磁阻部分的计算公式；

步骤四：基于各磁阻部分的计算公式估算出励磁线圈加载最大电流值时，在不同环形阻尼缝隙厚度条件下，环形阻尼缝隙中磁流变液的真实磁感应强度，以得到环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度之间的关系，从而检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象，以对磁流变阻尼器相应部件的结构参数实现调整目的；

步骤五：基于可调阻尼力公式和设定活塞运动速度条件下的可调系数公式，绘制出环形阻尼缝隙厚度与可调阻尼力的关系曲线图以及环形阻尼缝隙厚度与可调系数的关系曲线图，以根据应用需求最终确定环形阻尼缝隙厚度h的取值，以对上述求出的相应结构参数实现调整。

2.如权利要求1所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

对于设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤一具体包括：

1-1)环形阻尼缝隙的厚度h在取值范围0.5mm～2mm中任取一数值作为初值，根据式3)、4)，由期望的可调阻尼力F_τ及设定的活塞运动速度v_d条件下的可调系数χ，求出导磁保护环的横截面外半径R₃和长度L₁，

$F_{\mathrm{\τ}}=\frac{6L_1{\mathrm{\τ}}_B{A}_P}{h}---3)$

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\π\τ}}_B{L}_1(2R_3+h)h^2}{2\mathrm{\η}(2L_1+L_2)A_P{v}_d}---4)$

上式3)、4)中，η是磁流变液的零场粘度，τ_B是磁流变液的剪切屈服强度，A_P是活塞的有效横截面面积，L₁为导磁保护环的长度，L₂为隔磁保护环的长度且取值范围为4mm～6mm，R₃为导磁保护环的横截面外半径，

1-2)由公式R₄＝h+R₃求出磁流变阻尼器的缸体横截面内半径R₄以及由公式L₀＝2L₁+L₂求出活塞长度L₀；

对于未设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤一具体包括：

1-1’)环形阻尼缝隙的厚度h在取值范围0.5mm～2mm中任取一数值作为初值，根据式3’)、4’)，由期望的可调阻尼力F_τ及设定的活塞运动速度v_d条件下的可调系数χ，求出铁芯的翼缘横截面半径R₂和长度L₃，

$F_{\mathrm{\τ}}=\frac{6L_3{\mathrm{\τ}}_B{A}_P}{h}---3^{,})$

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\π\τ}}_B{L}_3(2R_2+h)h^2}{2\mathrm{\η}(2L_3+L_4)A_P{v}_d}---4^{,})$

上式3’)、4’)中，η是磁流变液的零场粘度，τ_B是磁流变液的剪切屈服强度，A_P是活塞的有效横截面面积，L₃为铁芯的翼缘长度，L₄为线槽的长度且取值范围为1.5倍～2倍的铁芯的翼缘长度L₃，R₂为铁芯的翼缘横截面半径，

1-2’)由公式R₄＝h+R₂求出磁流变阻尼器的缸体横截面内半径R₄以及由公式L₀＝2L₃+L₄求出活塞长度L₀。

3.如权利要求2所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

若活塞长度L₀或缸体横截面内半径R₄不符合应用需求，则调整所述期望的可调阻尼力F_τ和/或可调系数χ，重新计算缸体横截面内半径R₄及活塞长度L₀。

4.如权利要求1所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

对于设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述磁力线回路涉及的结构约束包括缸体壁厚约束公式、铁芯通体部的横截面半径约束公式、铁芯的翼缘长度约束公式、导磁保护环的厚度约束公式，相应确定出的磁流变阻尼器相关部件的所述结构参数包括导磁保护环长度L₁、隔磁保护环长度L₂、铁芯翼缘长度L₃、线槽长度L₄、铁芯通体部横截面半径R₁、铁芯翼缘横截面半径R₂、缸体横截面内半径R₄、缸体横截面外半径R₅和线槽内缠绕的励磁线圈匝数N；

对于未设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述磁力线回路涉及的结构约束包括缸体壁厚约束公式、铁芯通体部的横截面半径约束公式、铁芯的翼缘长度约束公式，相应确定出的磁流变阻尼器相关部件的所述结构参数包括铁芯翼缘长度L₃、线槽长度L₄、铁芯通体部横截面半径R₁、铁芯翼缘横截面半径R₂、缸体横截面内半径R₄、缸体横截面外半径R₅和线槽内缠绕的励磁线圈匝数N。

5.如权利要求4所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

对于设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤二具体包括：

2-1)基于下式5)求出环形阻尼缝隙的磁通量Φ：

Φ＝B_gapπ(R₃+R₄)L₁ 5)

式5)中，B_gap为环形阻尼缝隙中磁流变液预期的最大磁感应强度，R₄为缸体横截面内半径，R₃为导磁保护环的横截面外半径，L₁为导磁保护环的长度，

2-2)依据磁通量守恒定律，通过下式6)～9)确定出磁力线回路涉及的结构约束：

缸体的壁厚满足下式6)：

$(R_5^2-R_4^2)\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}---6)$

式6)中，B_steel为制作缸体的导磁材料的最大磁感应强度，R₅为缸体横截面外半径，

铁芯通体部的横截面半径R₁满足下式7)：

$R_1\≥\sqrt{\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}}---7)$

铁芯的翼缘长度L₃满足下式8)：

$L_3\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{2{\mathrm{\πR}}_1{B}_{steel}}---8)$

导磁保护环的厚度满足下式9)：

$(R_3^2-R_2^2)\≥\frac{L_1-L_3}{L_1}\·\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}---9)$

式9)中，R₂为铁芯的翼缘横截面半径，

2-3)根据应用需求，基于上述磁力线回路涉及的结构约束，根据应用需求确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数，以及按下式10)估算出线槽内缠绕的励磁线圈的匝数N：

$N=0.8\·\[\frac{(R_2-R_1)}{d}\]\·\[\frac{L_4}{d}\]---10)$

式10)中，d为励磁线圈所用漆包线的直径，L₄为线槽的长度，[]表示取整；

对于未设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤二具体包括：

2-1’)基于下式5’)求出环形阻尼缝隙的磁通量Φ：

Φ＝B_gapπ(R₂+R₄)L₃ 5’)

式5’)中，B_gap为环形阻尼缝隙中磁流变液预期的最大磁感应强度，R₄为缸体横截面内半径，R₂为铁芯的翼缘横截面半径，L₃为铁芯的翼缘长度，

2-2’)依据磁通量守恒定律，通过下式6)～8)确定出磁力线回路涉及的结构约束：

缸体的壁厚满足下式6)：

$(R_5^2-R_4^2)\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}---6)$

式6)中，B_steel为制作缸体的导磁材料的最大磁感应强度，R₅为缸体横截面外半径，

铁芯通体部的横截面半径R₁满足下式7)：

$R_1\≥\sqrt{\frac{\mathrm{\Φ}}{{\mathrm{\πB}}_{steel}}}---7)$

铁芯的翼缘长度L₃满足下式8)：

$L_3\≥\frac{\mathrm{\Φ}}{2{\mathrm{\πR}}_1{B}_{steel}}---8)$

2-3’)根据应用需求，基于上述磁力线回路涉及的结构约束，根据应用需求确定出磁流变阻尼器相关部件的结构参数，以及按下式10)估算出线槽内缠绕的励磁线圈的匝数N：

$N=0.8\·\[\frac{(R_2-R_1)}{d}\]\·\[\frac{L_4}{d}\]---10)$

式10)中，d为励磁线圈所用漆包线的直径，L₄为线槽的长度，[]表示取整。

6.如权利要求1所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

对于设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤三具体包括：

将整个所述磁力线回路的总磁阻R_mag等效为铁芯磁阻R_mag1、导磁环磁阻R_mag2、磁流变液磁阻R_mag3、缸体磁阻R_mag4四个磁阻部分的串联，并给出各磁阻部分的近似计算公式：

$R_{mag1}=\frac{L_3+L_4}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\πR}}_1^2}+2{\∫}_{R_1}^{R_2}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1\·2{\mathrm{\πRL}}_3}dR---14)$

$R_{mag2}=2{\∫}_{R_2}^{R_3}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_2\·2{\mathrm{\πRL}}_1}dR---15)$

$R_{mag3}=2\frac{R_4-R_3}{{\mathrm{\μ}}_3\·\mathrm{\π}(R_4+R_3)L_1}---16)$

$R_{mag4}=\frac{L_1+L_2}{{\mathrm{\μ}}_4\·\mathrm{\π}(R_5^2-R_4^2)}---17)$

上式14)～17)中，μ₁、μ₂、μ₃、μ₄分别为铁芯、导磁保护环、磁流变液、缸体各部件的磁导率；

对于未设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤三具体包括：

将整个所述磁力线回路的总磁阻R_mag等效为铁芯磁阻R_mag1、磁流变液磁阻R_mag3、缸体磁阻R_mag4三个磁阻部分的串联，并给出各磁阻部分的近似计算公式：

$R_{mag1}=\frac{L_3+L_4}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\πR}}_1^2}+2{\∫}_{R_1}^{R_2}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1\·2{\mathrm{\πRL}}_3}dR---14)$

$R_{mag3}=2\frac{R_4-R_3}{{\mathrm{\μ}}_3\·\mathrm{\π}(R_4+R_3)L_1}---16)$

$R_{mag4}=\frac{L_1+L_2}{{\mathrm{\μ}}_4\·\mathrm{\π}(R_5^2-R_4^2)}---17)$

上式14)、16)、17)中，μ₁、μ₃、μ₄分别为铁芯、磁流变液、缸体各部件的磁导率。

7.如权利要求1所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

对于设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤四具体包括：

4-1)设定励磁线圈加载的最大电流值I，为环形阻尼缝隙厚度h设定一计算初值；

4-2)假设环形阻尼缝隙中的磁感应强度为B₀；

4-3)基于公式B₀π(R₃+R₄)L₁计算出环形阻尼缝隙的磁通量，记为Φ₀；

4-4)依据磁通量守恒定律，由磁通量Φ₀计算出磁力线回路中缸体横截面、铁芯的通体部横截面、铁芯的翼缘纵截面、导磁保护环横截面的磁感应强度，并由各相应导磁材料的B-H曲线得到铁芯、导磁保护环、磁流变液、缸体的磁导率，计算出磁力线回路中铁芯、导磁保护环、磁流变液、缸体涉及的四个磁阻部分的磁阻，以计算出总磁阻R_mag；

4-5)依据磁路欧姆定律计算出环形阻尼缝隙的磁通量，记为Φ₁，从而基于公式计算出环形阻尼缝隙中的磁感应强度，记为B₁；

4-6)判断|B₁-B₀|是否小于阈值δ：若是，则假设的磁感应强度B₀为当前最大电流值I和环形阻尼缝隙厚度h下的真实磁感应强度；若否，则调整B₀，重复执行4-3)～4-6)，直至|B₁-B₀|小于阈值δ；

4-7)调整环形阻尼缝隙的厚度h，重复执行4-2)～4-6)，绘制出环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度的关系曲线图；

4-8)检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象：若出现，则重新确定磁流变阻尼器相应部件的结构参数，重复执行4-1)～4-8)；

对于未设置导磁保护环和隔磁保护环的磁流变阻尼器，所述步骤四具体包括：

4-1’)设定励磁线圈加载的最大电流值I，为环形阻尼缝隙厚度h设定一计算初值；

4-2’)假设环形阻尼缝隙中的磁感应强度为B₀；

4-3’)基于公式B₀π(R₂+R₄)L₃计算出环形阻尼缝隙的磁通量，记为Φ₀；

4-4’)依据磁通量守恒定律，由磁通量Φ₀计算出磁力线回路中缸体横截面、铁芯的通体部横截面、铁芯的翼缘纵截面的磁感应强度，并由各相应导磁材料的B-H曲线得到铁芯、磁流变液、缸体的磁导率，计算出磁力线回路中铁芯、磁流变液、缸体涉及的三个磁阻部分的磁阻，以计算出总磁阻R_mag；

4-5’)依据磁路欧姆定律计算出环形阻尼缝隙的磁通量，记为Φ₁，从而基于公式计算出环形阻尼缝隙中的磁感应强度，记为B₁；

4-6’)判断|B₁-B₀|是否小于阈值δ：若是，则假设的磁感应强度B₀为当前最大电流值I和环形阻尼缝隙厚度h下的真实磁感应强度；若否，则调整B₀，重复执行4-3’)～4-6’)，直至|B₁-B₀|小于阈值δ；

4-7’)调整环形阻尼缝隙的厚度h，重复执行4-2’)～4-6’)，绘制出环形阻尼缝隙中磁流变液的磁感应强度与环形阻尼缝隙厚度的关系曲线图；

4-8’)检验磁路是否出现磁动势不足或过饱和现象：若出现，则重新确定磁流变阻尼器相应部件的结构参数，重复执行4-1’)～4-8’)。

8.如权利要求1所述的磁流变阻尼器快速优化设计方法，其特征在于：

所述步骤五具体包括：

基于磁流变液的τ_B-B曲线，通过所述可调阻尼力公式、设定活塞运动速度条件下的所述可调系数公式分别计算出不同环形阻尼缝隙厚度h下的可调阻尼力F_τ、可调系数χ，以绘制出环形阻尼缝隙的厚度h分别与可调阻尼力F_τ、可调系数χ的关系曲线图，从而根据应用需求来最终确定出环形阻尼缝隙厚度h的取值。