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。

磁流变纤维骨架阻尼增强型阻尼器研究

为了增强磁流变脂的剪切性能,提高阻尼器的阻尼力输出,研究棉纤维对磁流变脂剪切增强效果。制备了不同棉纤维质量分数的磁流变脂试样,在流变仪上对其进行测试。结果表明,复合纤维磁流变脂的最大剪切应力随着纤维质量分数的增加而增加。基于复合材料设计制造了一款剪切式磁流变阻尼器,该阻尼器具有磁流变材料用量少、密封要求低等优点。磁流变阻尼器的阻尼特性实验表明,在1.6 A电流下,棉纤维质量分数为1.5%的磁流变脂的最大阻尼力可达99.5 N,与无棉纤维添加的磁流变脂相比,提升了23.8%,这表明使用复合纤维磁流变脂的阻尼器具有更好地阻尼力输出。

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。

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。

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。

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。

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%。

单筒式磁流变减振器阻尼力计算方法研究

磁流变减振器具有结构简单、响应时间短、阻尼力大且连续可调等一系列优点,是目前研究的热点。然而在磁流变减振器的阻尼力计算及半主动控制理论等方面仍然存在许多问题。针对这些问题,设计一种单筒式磁流变减振器,并提出一种单筒式磁流变减振器阻尼力计算方法。首先建立了单筒式磁流变减振器阻尼力模型;其次,建立了单筒式磁流变减振器磁域模型,利用仿真软件得出磁场分布;最后通过实验得出铁心进、出口磁通密度与线圈电流间的关系。结果表明,流道进、出口处的磁通密度与线圈电流成线性变化规律,阻尼力随线圈电流的增加呈现先增大后减小的变化规律。在不通电流时,阻尼力随铁心运动速度的增加而增大;通入电流后,阻尼力受铁心速度的影响很小;阻尼力随铁心与缸筒间隙的变大而明显减小,并且随着间隙的增加,铁心运动速度对阻尼力的影响也减小。

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。

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。

新型剪切阀式磁流变阻尼器设计程序及试验

目前针对磁流变液制成的磁流变(MR)阻尼器的研究已取得了很多成果,但在实际设计过程中仍缺乏参数可调便捷有效的设计程序。文章利用简化的设计方法,基于MATLAB中的人机交互图形化用户界面设计功能,编写便捷的剪切阀式MR阻尼器参数快速设计程序面板,利用ANSYS的电磁场分析模块对阻尼器进行了磁路有限元分析,预估了阻尼器的阻尼力和可调范围,并制作实体阻尼器对数值模拟进行验证。结果表明:采用所提程序设计的MR阻尼器能够满足磁路优化原则,制作对应的MR阻尼器性能测试表明磁感应强度的实测值与有限元分析结果基本一致,进一步证明了所提方法的有效性。

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。

基于改进遗传算法的磁流变阻尼半主动控制系统整体优化

为解决磁流变阻尼半主动控制系统中控制算法参数、阻尼器参数与布置位置优化问题,提出一种改进的自适应小生境遗传算法.该遗传算法在选择策略、交叉和变异操作、交叉概率和变异概率的自适应调整等方面作了改进,并同时采用预选择机制和共享机制这两种小生境技术.算例分析结果表明:改进的自适应小生境遗传算法和改进的基本遗传算法优化结果总体一致,表明前者分析结果是正确的;前者首次得到最优解耗费的机时比后者平均少32.7%,可见前者比后者收敛速度更快;30次优化分析结果表明,前者比后者稳定性更强;经前者优化的磁流变阻尼半主动控制系统取得良好减振效果,El Centro波、集集波、人工波输入时,半主动控制结构层间位移角和绝对加速度的最大值较无控时分别平均减小64.1%、54.7%、55.9%.算例表明了改进的自适应小生境遗传算法的有效性,实现了对磁流变阻尼半主动控制系统的整体优化.

基于磁流变弹性体动力吸振器的掘进装备振动控制

针对掘进装备在自适应截割控制下的截割部宽减振问题,基于磁流变弹性体的动力吸振技术,提出了一种掘进装备截割部的振动控制方法。首先,以连续采煤机为研究对象,根据动量矩定理,建立了截割部-磁流变弹性体动力吸振器(MREDVA)耦合动力学模型,从理论上分析了MREDVA的减振机理;然后,为保证MREDVA的磁路以及移频特性满足需求,详细阐述了MREDVA的设计流程,提出了一种新的MREDVA结构,对其磁场和移频特性进行了仿真验证;最后,计算了不同截割状态下MREDVA对截割部的振动抑制能力,并建立了半主动控制方法,比较了被动和半主动振动控制方法下MREDVA的振动抑制能力。研究结果表明:对于所选煤层1和煤层2,截割部的振幅衰减分别达到41.53%和49.80%;对于所选煤层3,半主动控制下截割部振幅衰减可以达到45.10%。该方法可以有效降低掘进装备在宽频激励下的振动幅度。

矩形凹结构转子磁流变阻尼器的设计与优化

针对传统盘式磁流变阻尼器(magneto-rheological damper,MRD)力矩密度偏低的问题,提出在转子端面构造凹结构以增加有效工作间隙长度,保持结构尺寸紧凑的同时,提高输出力矩密度。分别建立了传统盘式、矩形凹结构和弧形凹结构力矩模型,通过关键尺寸设计和定量对比分析表明,在同等条件下矩形凹结构对提升力矩密度效果更佳。为充分利用矩形凹结构的力矩增益效应,定量地分析了矩形槽位置、槽宽和槽深等关键参数对力矩密度和力矩波动的影响规律,得到了关键参数合理的优化区间。在满足目标设计力矩、线圈功率及确定的参数取值范围前提下,以体积最小为目标函数,对包括矩形凹结构的磁流变阻尼器结构参数进行了优化设计。结果表明,优化后装置力矩密度增幅达23.39%,为矩形凹结构转子阻尼器的实际设计提供了指导。

双模式变间隙磁流变阻尼器研究

直升机飞行过程中座椅系统主要处于隔振工况,阻尼器隔振行程小且持续输出较小的阻尼力,而直升机遇突发状况坠机时属于抗坠毁工况,阻尼器需在缓冲行程内保持力值平衡,且提供大阻尼大行程。针对隔振和抗坠毁双模式工况对阻尼器设计要求存在矛盾的问题,提出了一种能同时满足直升机座椅隔振和抗坠毁的双模式变间隙磁流变阻尼器(magnetorheological damper, MRD)结构。为验证结构的有效性,建立了变间隙磁流变阻尼器的力学模型,并在不同乘员质量、不同冲击速度下对变间隙磁流变阻尼器进行拓扑形面优化;基于拓扑形面优化结果,完成了变间隙磁流变阻尼器样机的加工、装配和测试。数值仿真和双模式特性实验表明,变间隙磁流变阻尼器的抗坠毁单元能在所选冲击工况下均能输出平稳、稳定可控的库伦阻尼力,同时其隔振单元具有良好的动态范围,最大阻尼力和动态范围均满足设计要求。

基于改进遗传算法的磁流变阻尼器多目标空间优化布置

为解决空间结构中阻尼器位置和数量优化问题,基于遗传算法提出一种新型编码方式——“A-B”型数字编码,实现了对阻尼器优化布置的精确定位.推导了磁流变阻尼器(MRD)附加刚度和附加阻尼矩阵,采取H2范数优化控制理论、代间比较权重等理论提出了改进遗传算法,并采用MATLAB软件开发了多目标空间优化布置改进遗传算法程序.以10层钢筋混凝土框剪偏心结构为例,依据规范选取7条地震波作为动力时程输入,对优化方案及3种工况下结构位移、加速度、扭转控制进行计算,并分析了不同减震指标随MRD数量变化的发展趋势.结果表明:优化目标函数值随进化代数迅速收敛;4种工况中优化方案控制效果最佳,顶层88号节点X、Y向减震率分别达39.45%、32.68%,结构扭转得到有效控制.算例表明了改进遗传算法的有效性,实现了对空间结构阻尼器布置的精确定位,且结构得到最优控制.

磁流变阻尼假肢膝关节的参数设计与特性研究

设计了一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节,利用拉格朗日理论建立假磁流变阻尼肢膝关节的动力学模型。对设计的磁流变阻尼假肢膝关节进行参数化设计,采用ADAMS仿真软件对参数化后的假肢进行仿真,分析了不同路面条件下假肢的驱动力矩和磁流变阻尼器的阻尼力。结果显示:在摆动期,磁流变阻尼假肢的驱动力矩发生了显著的变化,需要较大的驱动力矩。在摆动阶段,磁流变阻尼器的阻尼力较大,相对于平地行走和上楼梯而言,磁流变阻尼器输出的阻尼力在下楼梯时更大。因此,基于磁流变阻尼器的假肢膝关节为后续研究奠定了一定的理论基础,通过一系列的参数化设计,使得磁流变阻尼假肢膝关节满足性能要求。

磁流变阻尼器受控RC框剪结构的计算模型及减震研究

为了分析加入磁流变阻尼器(MRD)框剪结构的多维减震性能,基于空间梁单元和壳单元建立了MRD受控框剪结构的三维计算模型。以6层钢筋混凝土(RC)框剪结构为例,采用MATLAB软件开发了未控和MRD受控RC框剪结构的三维计算模型程序,通过将模型程序计算结果与ANSYS软件建立的有限元模型计算结果进行对比,验证了模型及程序的有效性。在兰州波和唐山波作用下,对未控和MRD受控下结构的位移、加速度以及各层层间位移角进行计算。结果表明,未控和MRD受控RC框剪结构的三维计算模型程序能有效模拟结构的三维动力响应及减震效果,在整个地震波持时内,MRD受控RC框剪结构的位移响应均小于对应时间下未控结构的位移响应。

基于磁流变复合材料的磁流变阻尼器设计

为解决传统磁流变阻尼器存在工作介质易沉降、密封要求较高,且中高频激励下阻尼器刚度快速增大,能耗衰减严重的问题,制备并测试了一种沉降稳定性能良好且密封要求低的磁流变复合材料,建立改进的Herschle-Bulkley模型用以表征复合材料的力学性能;基于该复合材料设计加工出一种剪切式磁流变阻尼器,并设计实验测试中、高频激励下阻尼器的性能响应规律.研究结果表明:3 A电流激励下,当测试频率由5 Hz增大至20 Hz时,阻尼器动态刚度由4.87×10^(5) N/m增加到6.29×10^(5)N/m,且全频段阻尼器单周期耗能均在0.04 J左右,验证了所设计的磁流变阻尼器在中高频振动工况下的耗能能力.