振动能量采集型磁流变阻尼器优化设计及性能分析

自供电状态下振动能量采集型磁流变阻尼器阻尼性能较差,需要对其进行优化设计与性能分析。通过对峰值感应电压、功率密度以及自供电电流的分析计算得出比较系数,以此为指标选取发电装置各关键尺寸;然后在自供电状态下,采用多目标优化算法对减振装置活塞头尺寸及阻尼间隙宽度进行寻优;最后对优化前后的装置进行仿真分析与对比。结果表明,优化后装置的发电性能及其在自供电状态下的阻尼性能均有明显提升;在频率为4 Hz、幅值为10 mm的振动激励下,优化后峰值感应电压提高30%,输出阻尼力提高8.7%,自供电电流强度提高20%,对应的阻尼力提高17%。

矿井提升系统纵向振动的磁流变阻尼器减振悬挂装置设计

为抑制矿井提升系统的纵向振动,设计了一种基于磁流变阻尼器的纵向振动减振悬挂装置。首先,建立了磁流变阻尼器力学模型,并对减振悬挂阻尼器进行了结构设计和磁路设计。其次,基于多物理场仿真软件COMSOL建立了磁流变阻尼器的多物理场耦合模型,在电磁场、流场的流-固耦合环境下分析了内部磁场、流场和压力分布状况,验证了机械结构和磁路分布设计的合理性。然后,通过耦合电磁场、流场和力场的动力学仿真,得到了磁流变阻尼器在正弦激励下的阻尼力F与位移x、频率f、振幅A、电流I和阻尼可调系数β之间的关系特性;仿真结果表明,在工作电流为0~1.4 A时,所设计阻尼器的最大阻尼力为4 993 N,最大阻尼可调系数为9.97。最后,试制样机验证了所设计的磁流变阻尼器可为减振悬挂装置提供所需的阻尼力,实现矿井提升系统纵向振动的抑制。

磁流变阻尼器Bingham力学模型改进及参数辨识

磁流变阻尼器不仅具有阻尼快速响应、良好的温度稳定性、内部结构简单等优势,而且可以通过调节控制电流使阻尼器的出力值连续变化,实现阻尼力可控。由于磁流变阻尼器阻尼特性与内部磁流变液的磁流变效应有关,具体表现非常复杂,现有力学模型目精度不足,无法精确描述磁流变阻尼器的阻尼特性。在磁流变阻尼器力学性能测试基础上,应用分段拟合函数方法同时结合反正切函数模型改进模型,并辨识改进后力学模型中各参数。将改进后的Bingham模型与实际测试出力值进行对比,结果表明改进后的Bingham模型能够很好地解决Bingham力学模型在非线性滞回阶段出力值曲线与实际测试数据不符的问题,改进后模型总体出力值曲线与阻尼器实际出力值基本相同,模型精度大幅提升。此种改进方法为磁流变阻尼器建立高精度力学模型提供参考。

一种新型引磁式磁流变阻尼器研究

针对特定结构限制下磁流变阻尼器工作性能的优化问题,在传统磁流变阻尼器的基础上设计了一种新型引磁式磁流变阻尼器,建立了磁场与流场耦合动力学模型;以输出阻尼力和动态可调系数为优目标函数,基于多目标遗传算法对该型磁流变阻尼器内部活塞进行了优化;建立了多物理场耦合模型并进行了仿真和冲击试验。仿真结果表明:在相同外形尺寸条件下,新型磁流变阻尼器的有效阻尼通道长度为64 mm,相比普通磁流变阻尼器提高了60%;新型磁流变阻尼器的力学特性与动态可调性更加优越,当施加2.0 A电流、活塞运动速度为0.09 m/s时,新型磁流变阻尼器的输出阻尼力为55.9 kN,相比普通磁流变阻尼器(32.4 kN)提高了72.5%;施加不同大小电流时新型磁流变阻尼器的峰值压力与吸能容量均明显高于普通磁流变阻尼器。冲击试验结果表明:当施加2.0 A的电流、冲击速度为2.45 m/s时,相比普通磁流变阻尼器,其峰值压力达到11.64 MPa、峰值压力提高约41%。峰值压力试验结果与仿真结果对比表明:仿真结果和试验结果的趋势是一致的,其相对误差在0.1之内,表明了仿真模型的有效性。

基于磁流变阻尼器的滚珠丝杠进给系统主动抑振研究

针对滚珠丝杠进给系统轴向振动影响工件的加工质量和精度保持性的问题,将磁流变阻尼器应用于机床滚珠丝杠进给系统轴向抑振。设计磁流变阻尼器,进行磁流变阻尼器阻尼特性试验,采用最小二乘法和BP神经网络对阻尼力进行了辨识。建立带有磁流变阻尼器的机床滚珠丝杠进给系统单自由度振动模型,基于Runge-Kutta法计算了系统的动态响应。通过数值计算发现:阻尼器输入电流由零逐渐增大时,系统能够快速趋向于稳定;由幅频曲线可以看出,磁流变阻尼器抑制滚珠丝杠进给系统的振动是可行的。最后试验验证了磁流变阻尼器能够很好地抑制滚珠丝杠进给系统的振动。

机动飞行下磁流变阻尼器-转子系统动力学特性

航空发动机在机动飞行过程中,工作条件非常恶劣,飞行过程会产生不规则的瞬态振动,易引发故障。采用有限元法建立机动飞行下基于双线性本构方程的磁流变阻尼器-转子系统有限元模型,并利用Newmark-β数值方法进行求解,研究转子系统在机动飞行过程中的动态特性。在此基础上,考虑磁流变阻尼器作用,研究其对冲击载荷下转子系统瞬态及稳态响应的影响。结果表明,机动飞行开始和结束瞬间会产生瞬态冲击,激发转子系统一阶模态响应。在合适的电流作用下,变阻尼器可以有效抑制机动飞行过程中转子系统瞬态及稳态响应。此外,在机动飞行下,由于轴颈离心率较大,易导致磁流变阻尼器产生非线性行为。

利用负刚度磁流变阻尼器的单层球面网壳三维隔震研究

网壳结构三维隔震是备受关注的研究热点之一。已有的研究聚焦于被动型三维隔震装置,其在竖向的性能参数无法实时调控。为解决这一问题,将负刚度磁流变阻尼器(magnetorheological negative stiffness dampers,MRNSDs)与预压弹簧装置(prepressed spring devices,PSDs)并联,形成一种可调节阻尼力的竖向隔震装置(MRDNSD-PSD)。面向延长受控结构竖向自振周期的目标,建立了MRNSD的控制策略及其实施方法,利用其模拟了该控制装置的滞回响应。以某周边支承单层球面网壳作为研究对象,将含有MRNSD-PSD的半主动三维隔震系统、两种不同的被动三维隔震系统分别用于提升该结构的抗震性能。通过数模模拟,对上述受控和无控结构进行了地震响应分析。数值结果表明,三种隔震系统均可有效降低结构地震响应,但半主动隔震系统较被动型隔震系统能够提供更优的竖向加速度和竖向位移控制效果。

基于电机-磁流变阻尼器混合驱动的绳索牵引上肢康复机器人的设计与应用

传统的末端牵引康复机器人一般使用电机驱动,连杆传动,难以避免惯性和刚性器件对系统动态性能的影响。针对以上问题,研制了一种基于混合驱动的绳索牵引式上肢康复机器人系统。系统采用绳索牵引末端的方式驱动机器人运动,实现在大工作空间内的柔顺操作。设计了具有低惯性特性的电机-磁流变阻尼器混合驱动系统,以替代传统的电机驱动。结合动作捕捉系统,设计了被动和镜像两种训练模式,以实现脑卒中患者的上肢康复训练。实验证明,混合驱动系统可输出3.5 N·m的转矩;被动训练模式中,机器人在600×500×350 mm的工作空间内,轨迹跟踪误差小于8 mm;镜像训练模式中,轨迹平均跟踪误差为6.34 mm。结果表明,系统的驱动方法和训练模式安全有效。

馈能式磁流变阻尼器电磁参数对输出阻尼力的影响研究

针对馈能式磁流变(MR)阻尼器电磁参数众多,难以对输出阻尼力影响程度进行量化这一问题,提出了一种求解输出阻尼力贡献量的方法。首先,建立了馈能装置的电磁模型,推导了馈能装置感应电动势和主要电磁参数的关系;然后,建立了馈能式磁流变阻尼器电路模型,对馈能装置、整流模块和阻尼器模块进行了分析,得到了干路电流电压和支路电流电压的关系,结合了基尔霍夫定律和Bingham模型,建立了输出阻尼力与关键参数的机电耦合方程;接着,使用了直接求导法,推导了输出阻尼力与关键参数的一阶灵敏度函数关系,研究了灵敏度函数随关键参数的变化规律;最后,定义了关键参数对馈能式磁流变阻尼器输出阻尼力的贡献量,设计了二水平八参数的正交试验,获得了关键参数对输出阻尼力大小的贡献量。研究结果表明:输出阻尼力与关键参数的一阶灵敏度函数具有显著的非线性特征;馈能模块发电线圈内径和发电线圈外径对输出阻尼力的贡献量最大(其中,发电线圈内径对输出阻尼力的贡献量为780.96,发电线圈外径对输出阻尼力的贡献量为715.05),可分别调整发电线圈内径和发电线圈外径,以提高输出阻尼力幅值,进而改善振动半主动控制性能。

磁流变阻尼器建模及阻尼力跟踪控制试验研究

为了提升磁流变阻尼器阻尼力跟踪控制的精度,采用向量加权平均算法和贝叶斯非线性回归网络分别建立阻尼器的正向和逆向动力学模型;构建前馈逆模型与模糊控制反馈相结合的复合控制策略来实现半主动阻尼力跟踪控制。开展试验比较逆模型前馈控制与复合控制策略的跟踪效果以及复合控制策略在各个频率段的跟踪适用性。结果表明,复合控制策略能够达到较好的跟踪效果且比前馈逆模型控制策略的跟踪精度提高了6.4%;复合控制策略在0~7 Hz的频率段逼近精度基本在95%以上;在7~10 Hz,也能达到85%以上的逼近精度,验证了力跟踪控制算法的有效性。

基于遗传算法的阶梯式变间隙磁流变阻尼器优化设计

针对用于下肢假肢的磁流变阻尼器阻尼力调节范围受限且体积大、能耗高的问题,提出了一种阶梯式变间隙磁流变阻尼器,该阻尼器可根据人体不同步态需求,通过控制线圈电流与改变阻尼间隙来调节输出阻尼力。阐述了阶梯式变间隙磁流变阻尼器的结构和工作原理,建立了阻尼力计算模型并进行了磁路分析。在满足下肢假肢阻尼力要求的前提下,以阻尼器功率最低、活塞体积最小为优化目标,采用多目标遗传算法对阶梯式变间隙阻尼器的关键结构参数进行优化,得到最优结构尺寸,对优化后的阻尼器进行磁场与力学性能仿真,验证优化结果的合理性。结果表明,优化后的阻尼器在满足输出阻尼力设计要求的条件下,总功率降低了23.3%,活塞体积减小了28.4%,为假肢用磁流变阻尼器的优化设计提供了参考。

磁流变阻尼器改进型多项式建模及其半主动控制应用

针对磁流变阻尼器动态建模中存在的模型复杂、拟合精度差、计算速度慢等问题,文中提出一种改进型“速度分级多项式模型”。该模型在传统多项式模型的基础上加入两个速度切换点,在不同速度段分别采用不同函数进行拟合,从而在保证模型拟合精度的同时,有效避免了Runge振荡现象,也适当提高了计算速度。以RD-8040-1型号阻尼器为对象,对其进行特性测试和模型参数辨识。将该模型替换CRH3高速动车组二系横向减振器,采用开关天棚阻尼控制策略实现高速动车组二系悬挂的横向半主动控制整车动力学仿真,仿真模型中考虑到磁流变阻尼器卸荷、响应时滞等实际特性。结果表明,基于磁流变阻尼器的二系悬挂半主动控制能有效抑制高速列车的横向振动,与被动悬挂相比,在速度300 km/h直线运行工况下,车体横向加速度幅值谱最大幅值和加速度均方根值分别下降38.1%和37.6%。

振动能量采集型磁流变阻尼器发电性能研究

为了解决磁流变阻尼器对外部电源的过度依赖以及避免其断电失效的风险,设计了一种结构简单、可实现振动能量采集的磁流变阻尼器。该阻尼器由基于磁流变效应的减振装置和基于电磁感应原理的发电装置组成。首先,基于磁路欧姆定理建立了电磁感应发电装置的振动能量采集数学模型;其次,应用MATLAB软件进行发电装置发电性能分析,研究了装置发电性能与结构设计变量之间的关系;接着,采用COMSOl软件对2种不同永磁体组结构的发电装置进行了电磁仿真分析与对比,重点分析了发电装置永磁体组高度对发电性能的影响;最后,仿真分析了不同振动频率和幅值对装置发电性能的影响。结果表明:在一定范围内,感应线圈绕线槽高度值与发电性能指标值基本呈线性关系,永磁体组高度、导磁垫片高度与绕线筒径向厚度均存在最优值。无论在何种频率或幅值振动激励下,永磁体组高度为30 mm的发电装置单线圈感应电压的峰值比永磁体组高度为20 mm的大42.5%左右,输出功率峰值大22.3%左右。研究结果可为提高振动能量采集型磁流变阻尼器发电性能提供参考。

全通道内置阀式磁流变阻尼器的设计及性能分析

针对磁流变假肢中磁流变阻尼器体积大、输出阻尼力较小的问题,设计了一种全通道内置阀式磁流变阻尼器。首先,通过布置导磁楔形环和隔磁环,引导磁力线穿过全部液流通道,并进行了阻尼器磁路分析和输出阻尼力数学模型的推导;其次,利用ANSYS软件进行了阻尼器电磁场仿真;再次,采用多目标遗传算法优化阻尼器的结构参数,并仿真对比了优化前后阻尼器的平均磁感应强度和输出阻尼力;最后,加工了结构参数优化前后的阻尼器样机,并对其进行了动力学性能测试与分析。结果表明:优化后阻尼器活塞头的体积减小了24.4%,最大输出阻尼力提高了24 N;当电流为2 A时,优化前最大输出阻尼力仿真值为295.38 N,测试值为309.76 N,误差为4.6%;优化后最大输出阻尼力仿真值为307.77 N,测试值为333.76 N,误差为7.6%。所设计的全通道内置阀式磁流变阻尼器体积较小,输出阻尼力较大,液流通道的空间利用率较高。研究结果可为磁流变假肢中磁流变阻尼器的设计提供参考。

八极轴向绕组式磁流变阻尼器的隔振平台模糊控制研究

为了更好研究磁流变阻尼器在隔振系统中的隔振性能与控制策略,以八极轴向绕组式磁流变阻尼器为控制对象,搭建磁流变阻尼器与压缩弹簧并联的隔振平台,利用电动振动台施加正弦位移激励,测试隔振平台在不同励磁电流、激振频率下的加速度传递率。根据测试结果设计模糊控制器,控制系统的输入为加速度传递率与激振频率,输出为磁流变阻尼器的阻尼力,最后对隔振平台进行正弦位移扫频的隔振实验。实验结果表明,在隔振平台发生共振的区间频率9.4~11.4Hz内,所设计的控制算法能减小加速度传递率14.3%以上。该研究可为磁流变阻尼器在隔振领域中的工程应用奠定基础。

利用黏-弹-塑性模型对磁流变阻尼器动力学性能预测与分析

为了建模合适的参数模型来描述阻尼器的动态输出特性,发挥磁流变阻尼器工程应用中的半主动控制优势。本文的研究在激励频率和振幅为5 Hz和10 mm条件下,利用振动系统测试磁流变阻尼器在不同激励电流下得到动态输出特性,在此基础上利用黏-弹-塑性参数模型,采用果蝇优化算法对所有电流下的实测结果进行预测并对其结果展开分析讨论。研究结果表明该阻尼器的输出力能够跟随外部位移随时间变化情况;阻尼力随激励电流增大表现出先缓慢增大后显著增大的特性,这表明该阻尼器具有依赖输入电流的可控性,为实现工程应用中的半主动控制提供条件。并讨论了产生这种现象的原因在于不同电流下颗粒于基体间的相互作用。预测结果表明利用果蝇优化算法,黏-弹-塑性参数模型能够很好的描述实测结果。

基于最小二乘法和BP神经网络的磁流变阻尼器H-B模型参数辨识方法

针对Bingham模型磁流变阻尼器由于剪切稀化效应带来的阻尼力计算误差,在理论和仿真分析的基础上,提出一种最小二乘法和BP神经网络相结合的方法,对磁流变阻尼器H-B模型进行参数辨识,获得各参数与电流的关系,从而对磁流变阻尼器的阻尼力进行准确计算。最后通过磁流变阻尼器实验对理论方法进行验证。结果表明:借助于磁流变阻尼器的仿真分析,最小二乘法和BP神经网络相结合的磁流变阻尼器H-B模型参数辨识方法精确度高、吻合性好,验证了参数辨识结果的通用性及准确性。

基于下肢假肢的阶梯式变间隙磁流变阻尼器设计

针对下肢假肢步态变化时所需阻尼力大小不同的问题,提出一种基于下肢假肢的新型阶梯式变间隙磁流变阻尼器(MRD)。基于Bingham力学模型设计MRD的两级阻尼间隙宽度及主要结构尺寸,通过ANSYS Maxwell分析其内部磁场分布,采用Simulink仿真输出阻尼力。结果表明:阶梯式变间隙MRD步行时的工作间隙为1.6 mm,最大阻尼力为902.7N;跑步等其他复杂步态时的工作间隙为0.6 mm,最大阻尼力为2033.7 N,满足不同步态的阻尼力要求,且该MRD的最大工作电流为0.4 A,极大降低了阻尼器功耗。所提出的阶梯式变间隙MRD具有阻尼力分级输出、可调范围大、能耗低的优点,可代替阻尼间隙固定的传统MRD应用于假肢系统。

基于磁流变阻尼器电梯张力控制研究

电梯高速运行过程中的张力控制是当前高速电梯领域急需解决的关键问题。为此,将磁流变阻尼器作为控制器,对电梯的张力进行控制研究。选用Bouc-Wen模型建立磁流变阻尼器的动力学模型,并建立基于磁流变阻尼器的电梯系统张力控制方程,分析电梯运行过程的张力变化。分析结果表明,含有磁流变阻尼器的电梯系统张力减小得更为明显,说明磁流变阻尼器在电梯系统中能够有效控制电梯系统的张力波动。文章提供的基于磁流变阻尼器控制电梯张力的方法,为进一步研究电梯系统的张力抑制提供了一定参考价值。

斜拉桥拉索磁流变阻尼器减振技术研究

采用数值仿真和现场试验对磁流变阻尼器的减振性能进行了研究。数值仿真计算评估了磁流变阻尼器安装高度、外部激励、阻尼器输入电压等参数对拉索系统模态阻尼比的影响 ,结果表明磁流变阻尼器具有良好的阻尼可调特性 ,调节阻尼器的输入电压可以获得拉索系统的最佳模态阻尼比 ;现场试验表明 ,安装该阻尼器后 ,拉索系统的模态阻尼比提高 3～ 6倍 ,并存在一优化电压 ,在该电压下模态阻尼比达到最大 ;实际风雨振时的现场观测结果显示 ,磁流变阻尼器具有很好的减振效果 ;拉索磁流变阻尼器减振技术已在岳阳洞庭湖大桥全桥实施 。