结合布朗力与范德华力的磁流变液沉降模拟

为提升磁流变液沉降稳定性的研究效率,改善只能通过实验检测磁流变液沉降性能的现状,本文通过动力学方法模拟磁性颗粒的微观力学模型,提出了无磁场条件下的磁流变液沉降模拟方法,并以基于电感的沉降检测实验验证了模拟方法的有效性。磁流变液的沉降过程是在无磁场环境下进行的,因此,文章在磁场条件下磁流变液微观力学模型的基础上,引入布朗力与范德华力的作用,去除了磁场对磁性颗粒的影响,并提出了考虑布朗力与范德华力的磁流变液沉降模拟方法;将磁流变液的各项参数代入到前文提出的磁流变液沉降模拟方法中,并与基于电感的磁流变液沉降检测实验数据进行对比,以验证所提方法的有效性。结果表明,引入布朗力与范德华力的磁流变液沉降模拟方法可以较为准确地预测磁流变液的沉降速率,有效解决当前磁流变液沉降稳定性研究耗时较长的缺点。

基于数字孪生的磁流变液延时机构延迟解除隔离时间降阶模型

为建立满足实时性要求的磁流变液延时机构数字孪生体,针对传统流场仿真计算比较复杂耗时的问题,构建了该机构流体域降阶模型以实现其延时性能的快速计算。利用磁流变液延时机构流体域有限元全阶模型的参数化仿真作为样本数据,在DOE实验设计的基础上采用响应面法完成了流体域降阶模型建立,并结合有限元全阶模型仿真及高速旋转等效试验验证了降阶模型的精度及其可行性。结果表明传统流场与降阶模型仿真结果趋势相同,在检验工况中两者误差在5%以内,但降阶模型的仿真速度是流场仿真的100倍,即降阶模型可以在保证磁流变液延时机构模型求解精度的同时提高求解效率。

一种磁流变弹性体执行器的联合优化方法研究

磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)执行器作为智能减振应用系统的核心元件,其结构的优化是决定执行器性能上限及系统控制成效的关键。针对目前MRE执行器优化方法及理论研究欠缺的问题,文中面向一款横向隔振的MRE执行器,基于其机械结构和有效磁路,以优越磁控性能、低功耗和快速响应时间为优化目标,提出了一种新的MRE执行器联合参数优化方法。首先,基于MATLAB和COMSOL的联合仿真,将遗传优化算法和电磁有限元分析方法进行有效结合,实现对MRE执行器的优化编程;其次,完成对器件的全局尺寸结构优化设计,使得器件具备优越磁控性能(526.21 mT)、低功耗(44.05 W)及快速响应(5.43 ms);最后,通过搭建测试系统对优化后装配的MRE执行器进行测试和评估,验证了文中优化方法的可行性和有效性。提出的联合优化方法不仅适用于MRE执行器结构,还可为多领域减/隔振应用的共性MRE器件优化设计提供理论参考。

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。

适用于力反馈的圆筒式磁流变液执行器的设计

力/触觉反馈是虚拟现实交互技术中一种重要的交互形式。磁流变液执行器是最具发展潜力的力/触觉反馈装置。提出了一种适用于手指力反馈的便携式圆筒磁流变液执行器的设计方法,导出了基于B ingham塑性模型的阻力矩公式,分析了磁流变液特性和执行器结构参数对阻力矩的影响,并通过有限元分析进行优化设计,执行器的直径为31 mm,高度为38 mm,重200 g。实验测定了阻力矩和输入电流之间的关系,并采用二次多项式拟合。输入电流为0.6 A时,执行器产生的阻力矩为255 N.mm,结果表明,该执行器产生的阻力矩足以阻止手指抓取虚拟物体。

磁流变复合液压执行器及其效率研究

介绍了一种可同时实现定位(驱动)与可控阻尼的磁流变复合液压执行器的原理及系统结构,研究了在入口压力较高时磁流变阀不可能完全理想关闭情况下桥式磁流变阀路的效率问题,建立了基于桥式磁流变阀路的磁流变复合液压执行器定位(驱动)时的效率模型。

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。

适用于力反馈的三圆盘磁流变液执行器工作机理及建模

为了提高磁流变液执行器力学模型的精度,建立了适用于电流随机变化且包含磁滞特性的三圆盘磁流变液执行器的分段线性力矩-电流模型.分析了执行器的工作原理,推导了基于Bingham塑性模型的力矩公式.磁路由铁磁物质和磁流变液组成,说明了这2种物质的磁特性,分析了铁磁物质中存在磁滞以及在磁流变液中观察不到磁滞的原因.铁磁物质的磁滞特性影响了执行器的力矩-电流特性,实验表明力矩和电流之间存在磁滞.当电流变化过程为0-1.2-0 A时,不包含磁滞特性的二次多项式模型的残余标准差分别为8.2和11.2 N.mm,分段线性模型的残余标准差分别为5.9和6.2 N.mm,分段线性模型的精度比较高.

磁流变液执行器分段线性力矩-电流模型研究

磁流变液执行器通过控制输入电流控制输出力矩，精确地确定输出力矩和输入电流之间的关系是关键。提出了一种新的包含磁滞特性的分段线性力矩-电流模型，导出了基于Bingham塑性模型的圆筒式磁流变液执行器的力矩公式，研究了铁磁物质和磁流变液的磁特性。实验表明磁流变液执行器的力矩和电流之间存在磁滞，二次多项式模型、分段线性模型和实验数据比较的结果证明了分段线性模型的有效性。

磁流变液减振器性能试验研究

针对单一的性能评价指标无法表征磁流变液减振器的整体性能、难以实现减振器工作性能最优化的问题,采用试验测试方式,结合最大输出阻尼力、响应时间、示功曲线饱满程度等多个性能评价指标分析减振器在不同外部激励电流与激振速度下性能的变化规律。研究表明:最大输出阻尼力随外部激励电流的增大而增大,且输出阻尼力在活塞运动速度较小时受活塞运动速度的影响较大,在活塞运动速度足够大时受活塞运动速度的影响较小;活塞运动速度的增加会缩短减振器响应时间,阶跃电流的大小对响应时间的影响较小,但减振器的阶跃下降响应时间比阶跃上升响应时间长;在减振器装配过程中常存在的磁流变液灌装不足与体积补偿装置气体压强选择不当的问题会造成示功曲线发生畸变导致减振器的能量耗散性下降。研究结果可为磁流变液减振器的性能优化提供参考依据。

基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制

应用于车辆上的磁流变液减振器是一种变刚度阻尼系统,它利用磁流变液随磁场快速响应特性,可在不同的磁场强度下改变阻尼值。为此建立了一套磁流体减振器试验系统,通过分析多组实验数据发现可变阻尼减振器在不同的振动工况下都会有一个最优的阻尼值,此时系统的减振效果最好。变刚度阻尼系统用于车辆悬架系统中可以提供更好的乘坐舒适性。

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。

基于BP和HBP流变模型的磁流变阻尼器数值模拟与性能分析

针对传统本构模型表达磁流变液的流变特性精度不高的问题,采用MCR302流变仪对磁流变液的流变特性进行测试,获得了不同磁场下剪切应力与剪切速率之间的关系。利用遗传算法对Bingham-Papanastasiou(BP)模型和Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP)模型进行参数辨识。利用辨识结果建立了仿真模型,对磁流变阻尼器的动态特性进行数值模拟。设计并加工了磁流变阻尼器,搭建了阻尼力测试平台进行阻尼力测试实验,并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明:HBP模型对磁流变液流变特性的辨识结果与实验结果吻合较好;2个模型对阻尼器动态特性的预测结果相差较大,仅对流速的预测一致性较好;基于HBP模型的阻尼力预测值与实验值较吻合。所提出的HBP模型表达磁流变液流变特性的精度较高,具有良好的实用价值。研究结果可以为振动控制领域磁流变阻尼器力学模型的选择提供参考。

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。

一种磁流变液性能测试用的凹字型磁路结构设计与研究

剪切屈服应力是反映磁流变液流变特性的主要参数之一,稳定可控的磁场直接影响磁流变液剪切屈服应力的测量精度,因此磁场设计是否合理对磁流变液的流变性能测试具有重要的影响。针对外置式线圈产生的磁场强度较低且存在漏磁现象、对称式线圈中磁流变液装载不便导致测量过程持续性差等问题,设计了一种凹字型磁路,通过调整线圈位置来改变磁场结构,使磁力线垂直穿过磁流变液流动方向,同时可拆卸的组合式磁路设计在保证磁场强度需要的前提下实现了磁流变液的连续性测量。此外,还分析了不同电流下的磁场强度分布规律,并基于优化的磁路开展了磁流变液剪切屈服应力等力学性能参数的测试。与主流标准测试仪器相比,具有凹字型磁路结构的磁流变液测试系统所测得的剪切屈服应力平均相对偏差值约为10%,重复误差在6.34%以内,说明该磁路结构是磁流变测试中磁场装置设计的一种可行方法。

基于磁流变转向器和离合器的传动系统

磁流变流体(MRF)是一种由磁性颗粒和载流体组成的功能性流体,这种流体可以在外加磁场影响下迅速且持续地改变自身黏度。磁流变转向器和离合器是将MRF与传统离合器、转向机构相结合的两种新型致动器。将两种新型致动器进行组合,设计了能满足扭矩要求、能够快速转换方向,并具有高响应性和反向驱动性的新型高性能传动系统原型。其中,磁流变离合器由带有盘片的驱动轴和从动轴组成,外置线圈用于控制内部MRF工作状态;磁流变转向器由锥齿轮、制动器和MRF组成;设计的传动系统共有4种工作状态:正向传动、反向传动和2种自由状态。仿真分析了其磁场的分布状态与理论输出扭矩/电流的关系,结果表明,该传动系统具有高响应速度特性,满足设计要求,可应用于汽车方向控制及动力传输。

直井随钻测斜磁流变液式负脉冲发生器研究

随钻测量是掌握井下实时钻进信息并在此基础上进行优化控制的最佳手段,目前在油气钻井中已大量应用。钻井液压力脉冲传输是随钻测量信号传输的主要方式,虽然应用广泛,但在传输速率、功耗和精度等方面仍存在较大提升空间。为此,研发了一种用于随钻测斜的磁流变液式负脉冲发生器。阐述了磁流变液式负脉冲发生器的结构与工作原理,设计了磁流变液式负脉冲发生器的结构模型;基于麦克斯韦方程组、安培环路定理和高斯磁通定理,确定了影响脉冲发生器制动性能的参数,主要有电流、磁流变液材料参数和磁导绕管壁厚等;在选定类型磁流变液材料的基础上,基于ANSYS Electronics软件研究了电流、磁导绕管壁厚等参数对感应电磁场强度及其分布特性的影响。研究所得的结构模型、理论分析方法、仿真分析结果等可为磁流变液式负脉冲发生器的开发提供支撑,促进随钻测量技术的发展。

磁流变液响应时间检测方法及装置研究

磁流变液的响应时间是一个关键指标,关系到磁流变智能执行器的实时可控性能。然而,MRF的动态响应面临从电流、磁场强度及剪切应力等多参数耦合中解耦的难题。本文提出基于偏置正弦激励电流的相位检测法,通过施加偏置正弦电流激励正弦磁通密度,由扭矩与磁场相位差获得MRF响应时间,无需面临阶跃响应中的复杂解耦问题。此外,本文通过关键机械参数设计,突破商用流变仪的剪切率限制,实现了最高3000 s^(-1)下的响应时间测量。基于此,本文设计和制作了一套MRF响应时间检测装置,分析了装配偏心和磁场探针位置引起的误差;测得多种样品在1~3 A振幅电流下的响应时间为23~140 ms,并发现响应时间随MRF浓度增大而先减小再延长,且与外部磁场强度呈负相关。

磁流变液稳定性影响因素研究综述

磁流变液凭其灵活、可控、稳定的特点成为应用最广的智能材料,磁流变液的稳定性对磁流变液功能的实现具有非常重要的意义。对磁流变液在机械传动、精密加工、医学、土木工程等领域的应用及其原理进行综述,总结对比了多种磁流变液沉降稳定性的检测方法。重点介绍磁流变液沉降稳定性的影响因素,通过总结不同类型添加剂的作用机理,从沉降率的角度对比分析了添加剂对磁流变液沉降稳定性的影响。同时指出改变磁性颗粒的结构、形成低密度复合材料主要是通过增大磁性颗粒与基载液之间的摩擦力和减小磁性颗粒和基载液之间的密度差来改善磁流变液的沉降性能。最后对磁流变液的发展趋势进行预测。

光束定向器方位轴磁流变液密封的设计与优化

为满足光束定向器方位轴内气体的密封要求,设计一种外筒分离式的磁流变液密封结构,主要由磁流变液、极靴、永磁体、外筒和内筒组成。利用Maxwell建立该密封结构的简化模型,仿真分析密封结构的磁感应强度及其分布情况。分析磁流变液密封结构中极齿形状对耐压值的影响,得出在密封间隙为0.12~0.22 mm时,单侧倒角齿形的磁流变液密封性能更好。采用正交试验法对密封间隙、齿宽、齿高、槽宽和单侧倒角等齿形参数进行优化,正交试验结果表明:密封间隙对磁流变液密封耐压值影响最大,其次是极齿宽度,槽宽、倒角角度和齿高对耐压值的影响较小。最终得到一组最优参数,优化后的磁流变液密封的密封性能提高了199.4%。