（机械制造及其自动化专业论文）汽车磁流变碰撞缓冲器的多目标优化设计及试验研究.pdf

中文摘要 摘要 随着汽车保有量和车速的不断增加，交通事故率逐年不断攀升，造成了巨大 的生命财产损失。作为汽车安全保障的第一道屏障汽车保险杠，对于提高汽 车碰撞安全性降低财产损失具有十分重要的作用。而目前的保险杠大多只起到装 饰作用，根本不具备“保险”功能，而一些可调保险杠受限于执行器的缓冲机理 和响应能力，也只能在设计条件下取得较好的缓冲效果，不能根据碰撞环境的变 化自适应调整，并不能达到人们的期望。近年来，由于基于磁流变技术的智能阻 尼器件具有阻尼可连续调节、阻尼力大、动态范围宽、功耗低等优点，有望解决 汽车保险杠的不足。为此，本文以汽车碰撞为背景，针对目前磁流变阻尼器件在 高速冲击下设计理论和试验尚未深入研究的情况，研究基于磁流变技术的汽车碰 撞缓冲器优化设计和试验研究，研究对于提高汽车碰撞安全性、完善磁流变执行 器件的设计理论具有十分重要的意义。本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍了汽车保险杠的应用背景，阐述了开展汽车智能碰撞缓冲研究的重要 意义，通过回顾磁流变相关技术研究现状，指出传统的磁流变阻尼器应用于汽车 碰撞缓冲时所面临的问题，并提出了一种新颖的基于剪切阀式的汽车磁流变碰撞 缓冲器，并对其工作原理进行分析，以及磁路有限元计算，推导在中高速下磁流 变缓冲器的阻尼力和动态范围计算方法。 ( 2 ) 基于宾汉塑性非线性流体修正模型和a n s y s 命令流磁路计算，结合多目 标遗传算法，搭建了磁流变缓冲器多目标优化计算的软件平台，实现对磁流变缓 冲器的最大阻尼力和阻尼力动态范围的多目标优化计算，并对优化结果进行线性 相关度和响应面分析，分析关键尺寸对缓冲器的两个设计目标的影响。 ( 3 ) 结合汽车碰撞缓冲器的技术要求，选择多目标优化计算后的一组优化结果 作为缓冲器设计的关键尺寸，经过总体设计和加工组装后，通过电磁振动试验台 对磁流变缓冲器进行正弦激励实验研究。根据实验结果分析磁流变缓冲器稳态工 作特性，为高速下的实验设计提供依据。 ( 4 ) 搭建了跌落试验系统，测试了四种不同冲击速度下磁流变缓冲器的响应特 性，根据测试结果分析其缓冲性能，然后比较缓冲器阻尼力理论预测和实验的结 果，分析产生误差的主要原因，并通过数据拟合建立阻尼力关于速度和电流的控 制模型。 关键字：汽车碰撞缓冲，磁流变缓冲器，非线性宾汉修正模型，多目标优化 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i m 也ei n c r e a s i n go ft l l en 岫b e r s 趾dm es p e e do fv e b j d e s ，r o a d 仃狮ca c c i d e n t s g r o wr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，w h i d hr e 驯【1 ti nm ee n o m o u s1 0 s so fl i f ea n dp r o p 酣y 、，r e h i d eb u 髓r s ，a sn l em s tg l l a r do fm ev e h i c l es a f e t y ，p l a ya i l 咖a n tr o l ei n e n h a n c i l l g m ec r a s h s a f e t y a n dr e d u c i n g 也e p r o p e r t y1 0 s s h o w c v e r ，c u r r e n n y 仃a m t i o n a lb u f f e r sc a no n l ya c ta sa no m 锄e n ta n dc a nn o tp r o 啊d ea n ys a f e g u a r d d u e t om e i rl i m i t e dc 印a c i t i e so fb u f 衔i n g 柚dt 1 1 er e s p o n s et i m e ，m ep e r f - o m a n c ec a n0 1 1 l y b ea c h i e v e du i l d e rm ed e s i g n e dc o n d i t i o n hr e c e n ty e a r s ，ak i n do fs m a r tm a t e r i a l s ， m a 弘e t c r h e 0 1 0 9 i 谢( m r ) n u i d ，h a sb e r e 捌v e dm u c ha 仕t i o nd u et 0i t sr a p i d r e s p o n s e ，r e v e r s i b l ev i s c o u sv a r i a t i o n ，b r o a dd y n a m i cr a n g ea n d 1 0 w p o w e rr e q u i r e m e n t t l l ed 锄p e r sb 嬲e dm r ：f l u i d sh a v ea l r e a d yb e e i la p p l i e di nm a i l ye l l 百n e 砥n gs u c ha s c i v i le 脚a k ei s o l a t i o n ，v e ：h i c l es u s p e n s i o nv i b r a t i o nc o n 仰1e ta 1 c o n s e q u 锄t l y ，a n e wv e h i c l eb u f | e 打b a s e do nm rf l u i d si sp r o p o s e di no r d e rt op r o m o t em ec o l l i s i o n s a f e t yo f 也ev e h i c l ei nm i ss t l l d ym u l t i - o b j e 砸v eo p t i m a la l g o r i 伽ni sa p p l i e dt 0 缸d t l l ep a r e 协o p t i n l a l 舶n to fm em rb u f f - e rl l n d e rt 1 1 el l i 曲s p e e di m p a c t 1 h em a i n c o n t e n t si 1 1 d u d et h ef o l l o w i n g s ( 1 ) 1 1 1 ea p p l i c a t i o nb a c k g r o l l l l do fv 出c l eb u m f sh a sb e e ni n 劬d u c e d 、) ，h i l e 戗1 e i m p o r t a n c eo fm ei n v e s t i g a t i o ni n t 0s m 砥v e h i c l eb u f f e r sh a sb e e l ld i s c u s s e d a r e r r e v i e w i n = gt h e1 i t 麟炯r e sa b o u tv e l l i c l eb u 侬邪锄dm rt e c h n 0 1 0 踢i th a sb e e nf o l l i l d m a t 乜a d i t i o n a lb u 丘e r sc a nn o tm e e tm er e q l l i r e m e n t so fv e i h i c l es a f 邑t y t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt ot l l e o r e t i c a l l ya i l de x p 咖e n t a l l yi n v e s t i g a t ean e w k i n do fv t 灿d eb u f f 矗 b a s e d o n m r n u i d ( 2 ) o nt l l eb a s i so fm o ( 1 i f i e db i n g l l 锄p l a s t i cm o d e l ( b p m ) ，恤ee q u a t i o n so f 廿1 e d a m p i l l gf o r c e 锄d 也ed y n 锄i cm g e a r ef 0 衄1 1 1 a t e df o rm ep r o p o s e dm rb u 仔缸a m u l t i o b j e c d v ei n t 咧e do p t i m a 】p l a t f o mi sc o n s 饥l c t e dt o6 n d 也ep a r e t oo p t i m a l 舶n to f 也ed e s 酒p r o b l e i no fn l em r b u 矗硫1 1 1 eo p 缸a 1p l a t f o mi si n t 删o nm e m a t l a ba n da n s y ss o 脚a r e s t h eg e n 甜ca l g o r i 恤ni sa p p l i e dt 0i m p r 0 v et h e s 0 1 u t i o n s ( 3 ) a r e rm a i 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a t e d k e yw o r d s ：v e h i c l eb u f f 醯；m a 印e t o r h e o l o 百c a l ( m r ) a b s o r b 酬d 锄p e r ；n o n l i n e a r m o d i 6 e db i n g h 锄p l a s t i cm o d e l ；m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 1 绪论 l 绪论 1 1 课题研究背景和意义 近年来，我国汽车工业快速发展，汽车的产量和保有量大幅度提高。从公安 部交管局获悉，截至2 0 1 1 年底，汽车保有量达到1 0 6 亿辆【lj 。同时有研究表明， 中国可能于2 0 1 5 年到2 0 2 0 成为世界最大的汽车消费市场和生产基地b 3 1 。随着汽 车行驶密度和行驶速度的提高，汽车交通事故数量也是居高不下。表1 1 是我国最 新发布的2 0 0 7 2 0 1 1 年间的交通事故概况【4 。由以上统计数据可以看出，交通事 故次数呈现缓慢下降趋势，但相对于欧美的发达国家，中国的交通事故在世界上 所占有的比例远远大于其汽车保有量的所占比例。同时中国已数年是交通事故数 量和死亡人数最高的国家之一。汽车交通事故已经严重威胁到人们的生命和财产 安全，所以提高汽车的安全性能成为人类生存面临的不容忽视的安全问题之一。 表1 12 0 0 7 2 0 1 1 年道路交通事故概况【4 】 t a b l e1 1t h eg e r a ls i t u 撕o no f r o a d 舰伍ca c c i d e n t s 证2 0 0 7 2 0 1 1 汽车安全性可分为主动安全性和被动安全性两大类，其中主动安全是汽车避 免发生意外事故的能力；被动安全性，则是指汽车发生意外事故时对成员进行有 效保护的能力。无论是主动安全还是被动安全，都要求在车祸发生时能够保护乘 员生命安全和减少经济损失。 城市中大多数的车辆碰撞一般在低于1 5 h ：1 1 1 的低速时发生的。由于低速碰撞 中乘员的生命安全能得到保护，如何减少汽车的损伤程度以及维修费用将至关重 要。目前，国际上由2 0 多个国家组成的汽车修理研究董事会( r e s e 鲫c hc 0 吼c i lf o r a u t o m o b i l er c p a i r s ) ，致力于提高汽车的抗损性、修复性、安全性和防盗性，减少 保险成本。1 9 9 4 年，r c a r 制定了1 5 h 1 1 撞击测试的标准【5 j ，用以衡量汽车抗损 性。保险杠系统在低速碰撞中具有很重要的意义，世界各国对保险杠的耐撞性都 有具体的法规和实验规范要求。相对于欧、美、日等汽车工业发达国家来说，我 重庆大学硕士学位论文 国的汽车碰撞安全法规制定较晚。由于我国生产的轿车的车型大多数来自欧洲， 直到1 9 9 8 年，由原中国机械工业部提出了参照欧洲e c e r 4 2 法规要求，颁布了 g b l 7 3 5 4 1 9 9 8 汽车前、后端保护装置标准。 对汽车制造业和保险业而言，不仅要考虑高速碰撞，还要考虑低速碰撞方面 的问题。由于汽车保险杠系统通常要求在低速情况下，不仅能够保护汽车的部件， 同时还能在与行人碰撞时最大限度地保护行人。而目前的保险杠受限于执行器的 缓冲机理和响应能力，且只能在设计条件下取得好的缓冲效果，并没有达到人们 的期望。市场需要一种新型的智能保险杠，能在中低速碰撞范围内，根据不同的 撞击情况做出相应的反应，更多地吸收撞击的能量，从而最大程度降低人员伤亡 和财产损失。 s c h u s t e r 在对1 3 0 篇论文和1 4 7 项专利进行分析的基础上，展望了缓冲系统的发 展趋势具有变刚度和高吸能特性的缓冲系纠6 1 。磁流变执行器件具有阻尼连续 可调、响应速度快、动态范围宽、功耗低等特点，为实现具有变刚度、变阻尼的 汽车智能碰撞缓冲器提供了可能。r p d e l i v o r i 舔在分析比较磁流变液和电流变液 应用于车辆碰撞缓冲的研究报告中，得出磁流变液优越的性能更适用于汽车碰撞 缓冲装置【7 】o 近年来有学者开始从事磁流变执行器应用于汽车碰撞缓冲方面的理论 研究。汽车缓冲过程中执行器要承受很大的冲击力，磁流变执行器在最大阻尼力 和动态范围上难以满足汽车碰撞缓冲的工作要求。同时，目前的磁流变执行器的 设计理论主要集中在低速下，因此，基于高速下的磁流变缓冲器的设计理论需要 进一步完善，并通过优化计算使缓冲器产生大的阻尼力和宽的可调阻尼力范围。 因此，研究汽车智能磁流变碰撞缓冲器，首先，不仅可以使磁流变执行器在 高速下的设计理论更加完善，而且可以拓宽磁流变液在缓冲方面的应用前景；其 次，不仅有利于开发出自主产权的汽车智能保险杠，降低人体损伤，保护汽车主 要部件，降低维修成本，具有重要的经济意义，而且有助于提高我国汽车整车的 质量，符合国际碰撞安全标准。 1 2 汽车保险杠研究概述 汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。保险杆作 为提高汽车的被动安全性能的主要部件，近年来一直是国内外设计人员关注的焦 点。汽车在高速碰撞下的研究，要考虑保护汽车乘员的安全，对整车进行仿真或 实验碰撞研究。而在低速碰撞下，要求保险杆能保护汽车的发动机和减少车身变 形。因此车身结构设计中的保险杠设计在一定程度上影响着整车的安全性能。 保险杠系统是汽车车身的一个重要组成部分，其作用主要有四方面：当汽 车与其他车辆或障碍物发生低速碰撞( 通常小于1 0 蛔1 1 ) 时，保护翼子板、散热器、 2 1 绪论 发动机罩和灯具等部件。当汽车与行人发生碰撞时，最大限度的保护行人。 满足车身空气动力性的要求。装饰和美化车身。从汽车被动安全性的角度出发， 前两点作用都很重要。目前的保险杠按其功能分为非吸能式保险杠和吸能式保险 杠。非吸能式是一种最简单的结构形式，缓冲能力很差，基本只起装饰作用，不 起保护作用。吸能式保险杠按缓冲吸能的方式大致分为四类：自身吸能式、液压 吸能式、带气腔式、带安全气囊型保险杠【8 吲。 静重援 竞蕞 曩麓鬟 曩缸 黪鳖鞭 变藏 气囊 鬟柱 a ) 自吸能式保险杠b ) 带气腔式的保险杠 图1 1自身吸能式保险杠与带气腔式的保险杠对比 f i g 1 1t 1 1 ec o n 衄s to fc o n v e n t i o n a lb l l i 】叩e rs y s t e ma n dg a s 七l l b eb u m p e rs y s t e m l 横枉2 _ l j 睦加强鬃3 氯气碡活塞轩s _ - i | ! | s 动蕊豢憾箧滩砷添孑l 毒懿体 图1 2 液压吸能式保险杠 f i g 1 2h 姗l i cb 咖叩e rs y s t e r n 自吸能式保险杠如图1 1a 所示，其结构简单，主要是利用内衬和支架的变 形吸收能量，缓冲性能由缓冲材料的特性决定。 液压吸能式保险杠如图1 2 所示，通常作为保险杠的支架。当汽车与障碍物 发生碰撞时，冲力通过横杠内侧加强件传到活塞上，活塞推动液压油通过节流孔 重庆大学硕士学位论文 压向活塞右腔，推动活塞向左移动，并使氮气受到压缩。这样利用液压油的节流 力吸收能量，耗散能量，工作特性比较稳定。撞击后靠氮气产生复原动力，使保 险杠复位。这种保险杠由于造价较高，通常使用在高档的轿车上。 带气腔式的保险杠与自吸能式保险杠的区别如图1 1 所示。气腔通常作为 内衬安装在外盖板和横杠之间。当碰撞发生时，气腔被压缩，进而影响其外面包 裹部件的变形方式，从而改善吸能效果。相关文献曾指出合理的设计气腔个数和 气压并保证包裹气腔部件的强度，这种保险杠与第一类保险杠相比效果较好。 带安全气囊型保险杠在碰撞过程中，这种保险杠的气囊会迅速张开保护行 人和碰撞的车辆。保险杠内装有传感器、充气泵和气囊等部件，驾驶员在看到障 碍物刹车，当车辆撞到障碍的速度高于5 0 妇h 时，触发气囊展开吸收碰撞能量来 保护碰撞车辆和行人。 液压吸能式汽车保险杠系统是汽车碰撞吸能效果最好的类型，且能够重复使 用，通常装在中高档汽车上。但目前汽车上通常采用不同的截面形状的薄壁管产 生折叠塑性变形耗散大量的碰撞能量。在考察碰撞缓冲效果的时候，通常需要分 析加速度、速度、力值、压缩量和能量的变化情况。汽车碰撞缓冲器不仅能在仿 真和实验中达到吸收碰撞能量，而且在行程一定的时候，缓冲力要达到一定值， 既能耗散能量，又能使车身不会发生损伤。 美国、欧盟和日本等世界主要国家在开展大量汽车碰撞事故研究工作的基础 上，各自制定了相应的交通法规和标准。随着低速碰撞法规的日益完善，国内外 越来越多的专家学者对保险杠低速碰撞进行研究。汽车吸能结构前碰撞实验研究 方法主要有两类：一类是通过安装吸能装置进行实车试检验整车的耐撞性，主要 是汽车生产商开展用以测试该车型是否符合各国制定的安全法规及验证仿真；另 一类是基于吸能装置建立车前端部分结构进行碰撞研究，来测试吸能装置的缓冲 性能。国外开展整车碰撞研究的一般为汽车公司和国家汽车实验室，而高等院校 和科研机构则一般致力于典型结构和材料方面的研究。吸能材料和吸能结构是目 前这一研究领域的热点，尤其是复合材料、泡沫材料和蜂窝状材料的结构。在现 在轿车的安全问题越来越多受人关注的情况下，发展安全吸能式保险杠是轿车保 险杠系统发展的主流。 从众多学者的研究可知，实验研究至今依然是保险杠低速碰撞特性研究最重 要的方法。比较有代表性的是g u n t e rp s 等人对汽车保险杠低速碰撞特性所做的较 为全面的实验研究，共有6 6 0 例车辆在低速碰撞的实验数据。保险杠碰撞试验中 的测量值有：碰撞速度、保险杠受力、缓冲器的压缩量、碰撞前和碰撞后的速度、 能量变化等。实验发现，对固定壁障低速碰撞所持续的时间是车速变化值的函数， 碰撞持续的时间随着碰撞速度增加先缩短后持续延长最后又减少。同时，缓冲器 4 1 绪论 的低速碰撞特性对保险杠和汽车的碰撞动力特性有很大的影响【l 。 1 怕m a s 在对1 9 8 1 1 9 8 3 年型的f o r de s c o r t s 轿车进行了低速碰撞实验。对装 有吸能式保险杠的汽车在保险杠对保险杠碰撞时的动力响应进行评估【1 1 1 。在 8 b 1 l l 、1 6 b 1 h 和2 舢三种速度下各了两次实验。给出了保险杠的位移、汽车 加速度和汽车速度的时间响应历程。实验采样频率为1 0 0 0 0 h z 。该文的工作只是对 吸能型保险杠的碰撞动力响应特性进行了常规的试验和分析。但是，其研究方法 和试验的结果是值得参考的。 国内研究学者开展汽车碰撞安全性的研究已是八十年代末期的事情，与国外 相比虽然起步较晚，但由于有了国外的经验可供借鉴，发展也相当迅速。 1 9 8 9 年，清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台。后 来对a u d i 保险杠前后支架进行了碰撞试验。通过试验发现对保险杠支架结构进行 合理设计，可以有效的提高汽车保险杠的耐撞性，从而提高汽车低速碰撞性制1 2 j 。 顾力强教授在等效速度1 5 6 州s 的低速碰撞过程中为了准确评估这种伤害的 严重性和保险杠的耐撞性，通过某型轿车两种保险杠低速碰撞过程的计算机仿真 和试验研究，图1 3 实验结果显示，可移动的保险杠有很好的缓冲性能【l 3 1 。 图1 3 不同等效碰撞初速度下的碰撞力变化 f i g 1 3c o l l i s i o nf o r c ed i s p l a c e m e n tc u r v e s 葛如海和王群山等根据保险杠低速碰撞试验规范的要求，应用a n s y s l s d 呵a 软件进行汽车保险杠在2 2 州s 时碰撞数值模拟仿真和实验。图1 4 所示， 两种保险杠的力随时间的变化曲线。改进设计后的缓冲吸能式保险杠比简易型保 险杠具有较好的吸能特性和耐撞性能，在发生低速碰撞冲击时能很好地起到保护 汽车其他元件的作用 1 4 。1 5 】。 5 重庆大学硕士学位论文 o _ 2 q 墨喝 歪吨 一l o 1 2 1 4 s 图1 4 碰撞力变化 f i g 1 4c o l l i s i o nf o r c e 缸e 1 1 1 i s t o r yc u r v e s 陈现玲等基于r c a r 低速碰撞试验与评价方法，并以长城某轿车为例，设计 吸能盒单元以弹簧单元参考来研究车辆低速碰撞性能，显示良好的吸能效果。图 1 5 给出了1 5 b ：1 h 时两个模块的截面力随时间变化的情况1 6 。 z 穴 瓤 鬟 时融 图1 5 截面力时间历程曲线 f i g 1 5c 0 1 1 i s i o nf o r c et i i l l e - h i s t o r yc u n ，e s 国内外的各种实验研究表明，目前的缓冲吸能结构能根据合理的选用缓冲材 料和设计在一定程度上提高保险杠系统的耐撞性能。然而受限于执行器的缓冲机 理和响应能力，目前的缓冲器只能在设计条件下取得定的缓冲效果，并没有达 到人们的期望。市场需要一种新型的智能保险杠，能在中低速碰撞范围内，能够 根据不同的撞击情况做出相应的反应，更多地吸收撞击的能量，同时可以循环利 用，从而达到最大程度降低人员伤亡和财产损失。 1 3 磁流变技术的研究现状 1 3 1 磁流变液概述 磁流变液( m i 强) 是近些年来在国内外引起广泛关注的一种新型智能材料，能对 6 1 绪论 周围磁场做出响应的可控流变流体。它是由纳米级到微米级的铁磁颗粒、添加剂、 载体液组成的悬浮液。在外加磁场条件下，磁流变液能在瞬间( 毫秒级) 由液体转变 为半固体状，产生可控的剪切屈服强度；当外加磁场撤除时，磁流变液又快速恢 复成原来的液体。图1 6 给出了磁流变在外加磁场下铁磁颗粒成链的过程 1 4 】。 图1 6 磁流变液的激活过程：( a ) 不施加磁场；( b ) 施加磁场；( c ) 铁磁颗粒成链 f i g 1 6a c t i v a t i o no fm rn u i d ：( a ) n om a g n e t i cf i e l da p p l i e d ；( b ) m a g n e t i cf i e l da p p l i e d ；( c ) f e r r o u s p a n i c l ec h a i l l sh a v ef o 眦e d 1 9 4 8 年，美国科学家r a b i n o w 一7 】最早发明了磁流变液，进而发现磁流变现象。 尽管对磁流变材料的研究很早开始，但受限于材料技术，无法较好解决磁流变液 的沉降和高磁流变效应的问题，在几十年来未受到研究者的关注和发展。直到上 世纪9 0 年代，磁流变材料才重新引起研究者的兴趣。磁流变的研究主要集中在磁 流变液的配制，高剪切屈服强度，抗沉降性，耐磨性和温度特性等方面。磁流变 液的组成决定了磁流变液的剪切屈服强度，沉降性，耐磨性。 许多国家研究人员在9 0 年代就对磁流变液的各种性能进行了深入研究，如白 俄罗斯 1 8 1 9 ，德引2 0 1 ，法国 2 1 】，美副2 2 2 4 等。其中美国l o r d 公司配制出的磁流变 液型号最为齐全，使用用户最多 2 5 1 。磁流变液铁磁颗粒采用一种铁钻合金材料， 它的饱和磁感应强度可达到2 4 t ，但其价格昂贵，所以实际应用中采用羟基铁粉， 能到2 1 4 t 的饱和磁感应强度【2 6 1 。学者通常在磁流变液中采用各种的添加剂防止颗 粒沉降来保持其悬浮的持久性，增强抗氧化性，增加颗粒间润滑性减少磨损以及 增大颗粒间磁场力。在施加磁场强度达1 5 0 2 5 0 龇下，典型磁流变液的剪切屈服 强度最大可达到5 0 一1 0 0 k p a 2 6 2 7 1 。另外磁流变液的工作温度范围能达到一4 0 1 5 0 摄氏 度而剪切屈服强度发生轻微变化。同时磁流变液的性能对水分和污染物的不敏感， 使得其适用于恶劣的工作环境。 我国对磁流变材料的研究虽然较晚，但目前已在磁流变液材料制备、流变学 机理和工程应用取得了一定成就。较早从事这方面的研究的有复旦大学i 引、中国 科技大学【2 9 ，3 0 1 、哈尔滨工业大学【3 1 ，3 2 ，3 3 1 ，西北工业大学 3 4 1 、重庆大学 3 5 1 、国家仪 表材料功能材料工程研究中心【3 6 ，3 7 】和宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司 蕊 重庆大学硕士学位论文 等单位。 1 3 2 磁流变执行器的设计理论概述 如图1 7 所示，常用的磁流变执行器中磁流变液的工作模式有四种：流动模式、 剪切模式、挤压模式和剪切阀式。流动模式和剪切模式组成的剪切阀式大量用在 直线和旋转运动的磁流变执行器中。而挤压模式只使用在小振幅下的直线运动中。 l cj 图1 7 磁流变液工作模式：( a ) 流动模式，( b ) 剪切模式( c ) 挤压模式 f i g 1 7o p e r a t i o n a lm o d e s o fm r f l u i d s ：( a ) t h ef l o wm o d e ，( b ) t h ed i r e c ts h e a rm o d ea n d ( c ) m e s q u e e z em o d e 在磁流变阻尼器广泛研究和应用中，磁流变液的参数化建模对磁流变执行器 的设计至关重要。最早p h i l l i p s 在1 9 6 9 年提出利用宾汉模型进行无量纲分析，并 提出相应方程来计算磁流变液通过平板间隙的压差，在当时现有模型中计算精度 较耐3 9 1 。磁流变液的宾汉塑性模型包括一个平行于牛顿粘度单元和随磁场变化的 塑性单元，应力应变的关系可以表述为： f = f 。( h ) s g n ( y ) + 叩y ( 1 1 ) 上式中，f 表示流体的剪切应力，f 。表示由磁场强度日控制的屈服剪切应力，叩表 示不由磁场影响的牛顿流体粘度，y 表示剪切应变率，s g i l ( ) 表示符号函数。图1 8 显示了剪切屈服应力与磁场和剪切应变率的关系。为了分析磁流变执行器在挤压 工作模型下，宾汉模型能够变化为双粘度模型4 0 1 ，可以表述为： f j r = f y ( h ) + 叩y ，h f 1 1 仇) ：，小f 。 ( l 2 ) f 。( h ) = q ( 1 一旦) ( 1 3 ) 叩， 上式中，叩r 和叩是磁流变液的弹性和粘性液体性能参数，式1 3 的关系如图1 9 所 1 绪论 示。当仇一o o 时，双粘度模型可简化为宾汉塑性模型。为考虑剪切稀化和稠化现 象，l e e 和w e r e l e 矿4 1 ，4 2 1 ，w a n g 和g o r d a n i n e j a d 4 3 钟1 都用h e r s c h c l b u l 珏e y 模型来 预测在平板和环状间隙中流动特性。考虑到流体屈服后的剪切稀化和稠化，宾汉 模型可变形为h c r s c h c l b u u k l e y 模型，如图1 8 所示。h e r s c h e l b u l k l e y 模型可表示 为： ，土、 f ：if ，( 日) + k 盯i s 弘( 多) ( 1 4 ) f = if ，( 日) + k 川l s 弘( y ) ( 1 4 ) l| l 上式中，k 和m 是流体参数。当，z 1 时，公式1 4 代表剪切稀化，而当聊 2 5 0 表观粘度：( 3 0 、5 0 0 1 s ) ：o 2 4 p a s 使用温度：4 0 1 8 0 热胀系数：3 4 ：i ：1 0 - 4 ( 1 ) 比热：1 3 6 ：l ：1 0 3j ( 埏) 磁流变液在磁感应强度1 t 时，最大剪切屈服应力可达到5 5 k p a 。图2 2 所示 为该磁流变液的剪切屈服应力与磁感应强度关系的原始数据和拟合曲线。在外部 磁场激励下，磁流变液的剪切屈服应力( k p a ) 与磁通密度且( t ) 的拟合关系 式为： = 7 4 7 & 醪- 犹9 4 辱3 + 1 2 5 3 7 骂2 + 5 4 6 b 一1 1 9 1( 2 2 ) 在磁路中，要求磁芯材料磁导率高，综合考虑几种磁导率较高的软磁质材料，本 文的设计活塞采用电工纯铁，缸体对磁阻影响相对较小，考虑价格和实际加工因 素，采用4 5 号钢材，线圈铜线采用o 6 m m 的漆包线，相对磁导率为1 。图2 - 3 给出了 磁流变液，活塞材料和工作缸材料的的磁场强度和磁感应强度b h 数据【6 。另外活 塞杆和端盖采用4 5 号钢。 1 6 2 磁流变缓冲器的结构设计和理论分析 阳 n 芏 ) 、 图2 2 磁流变液的剪切屈服应力与磁感应强度关系的拟合曲线 f i g 2 2p r o p e r 哆c w e so fm em r 稍u i d ：t h e ) ，i e l ds t r e s sv e r s u sm em a g n e t i ci n d u c t i o n 工2 1 工z 8 7 _ 7 b 6 2 b 3 7 2 1 2 l 一 ， j ， | | x 工0 z ) 01 6 0 03 2 0 04 8 0 06 4 0 08 0 0 0 e o o2 4 0 0 4 0 0 0 h ( a ) s 6 0 0 7 2 0 0 _ _ ， ，一 x 1 0 z ) 02 s 0s 0 07 5 01 0 0 0工2 5 0 1 2 53 7 56 2 58 7 51 1 2 5 h ( b ) 1 7 重庆大学硕士学位论文 ，。 2 s 07 5 01 2 s 0工7 5 02 2 5 0 h ( c ) 图2 3 材料的b h 数据：( a ) 磁流变液；( b ) 活塞材料；( c ) 工作缸 f i g 2 1 3b - hd a t ao fm rf l u i d ，p i s t o nm a t e r i a la n dc y l i n d e rm a t e r i a l 2 2 4 优化结构参数 根据图2 1 ，简化如图2 4 的磁流变缓冲器在磁流变液工作区域原理图。图2 4 中，表示活塞总长，d n 表示活塞直径，谢表示激活区形厚度，如表示线圈处间 隙尺寸，w c 表示线圈深度，三以表示激活区域总长度。由工作原理可知在设计中 主要考虑阻尼通道间隙与线圈相关的关键尺寸。本课题设计计算主要考虑砌，沈， w c ，三以四个关键参数。 l 中心线流动方向 图2 4 单线圈流动原理图 f i g 2 4 f 1 0 wp m c i p l ef o ro n ec o i l 2 3 磁流变缓冲器的磁路设计 2 3 1 磁路计算基本方程组 磁场是一个连续空间场，它的基本定律可以用麦克斯韦方程组来描述，它由 法拉第定律，麦克斯韦，安培定律以及连续性方程构成1 0 7 1 ， 2 磁流变缓冲器的结构设计和理论分析 v e ：一堡 a f v h ：j + 孚 ( 2 。3 ) o z v j ：一望 a f 2 3 2 磁路理论分析 图2 5 给出了磁流变缓冲器的磁路简图。图2 5 中，l 表示活塞总长，如表示 缸体厚度，r 表示活塞半径，谢表示激活区形区域厚度，如表示线圈处间隙尺 寸，们表示线圈深度，三口表示激活区域总长度。根据基尔霍夫定律有： l 图2 5 磁路原理简图 f 嘻2 5m a 盟e t i cc 疵u i to f m em r s h o c ka b s o r b e r 8 皿= m ( 2 4 ) i 1 = 如， ( 2 5 ) 上式中表示线圈匝数，表示电流，日，表示各处磁场强度，丘表示各处的简化 长度。也表示线圈区域的截面积，线圈区域电流密度，= 5 1 0 6 a h m 2 。 = e 4 ( 2 6 ) 其中，表示磁通量，e 表示各处的磁通密度，a ，表示各处磁通量通过的面 积 b i = p “i h i q 、) m 表示各种材料的相对磁导率，真空磁导率= 4 p 1 0 _ 7 m 畋g ( s 2 队2 ) 。其中理论 计算磁流变液、电工纯铁、低碳钢的相对磁导率只能取定值。、，i 、4 由已知 结构变量确定。根据( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式，可得到激活环形区域内磁流变液 的磁通密度及。由于实际材料拥有非线性相对磁导率，理论计算中假设定值计算， 重庆大学硕士学位论文 不能考虑到局部饱和现象，因此，上述方法计算出的磁通密度值准确度较低。 2 3 3 磁路有限元分析简介 上文设计把磁路分成几段，不能够考虑到磁场的空间分布，也没有考虑到结 构的若干细节，因此磁路是否合理需要进一步计算。有限元法既能考虑到材料的 的非线性因素，又能计算磁场的空间分布，是较为常用的磁场计算方法。它的基 本思想是：把求解区域划分成若干个小区域，采用线性( 非线性) 方法求解每个小 区域，然后把各个小区域的结果进行处理得到整个区域。其中a n s y s 是较为常用 的商业软件。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能 与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e ：n 酉n e e r ，n a s t 黜n ， 魁o g o r ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一。a n s y s 提供了两种操作方式： g u i 方式：g u i ( g r a p h i c a lu s e ri i l t e r f a c e 图形界面) 由窗口、菜单、对 话框和其他组件组成，通过点击界面按钮完成操作。直观易懂，但修改麻烦，且 对于经常重复的步骤，显得过于频繁、效率不高。 命令流方式：通过a n s y s 参数化设计语言( a n s y sp 锄吼e t r i cd e s i 弘 l 趾g u a g e ) a p d l 编写程序进行仿真，就可以实现参数化自动建模、施加参数化载 荷与求解以及参数化计算结果的显示，从而实现参数化有限元分析全过程自动化， 这是批处理分析的最高技术。在参数化的分析过程中可以简单的修改其中的参数 达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或序列性产品，极大地提 高分析效率，减少分析成本。 2 3 4 磁路有限元方法计算 磁流变缓冲器磁路被简化分为活塞、激励线圈、磁流变液、工作缸。利用 a n s y s 瓜蛐t i l ) h y s i c s 模块中的电磁场分析功能进行计算。命令流文件是通过界面 操作之后输出日志文件进行修改得出。图2 7 给出了有限元计算流程图，主要包括 以下七个步骤： 2 磁流变缓冲器的结构设计和理论分析 工作缸 碰流变液 线圈 铁苍 轴对称线 图2 6 磁流变缓冲器的有限元模型 f i g 2 6f _ i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft l l em r s h o c ka b s o r b 单元属性 之多 材料属性 8 i 参数化建模 妙 划分网格 jl 激励加载 拈 求解 l i 计算结果输出 图2 7a p d l 有限元计算流程图 f i g 2 7 n o wc h a r to f a p d lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 单元属性的定义。模型建立后，需要对二维模型设置单元属性，采用2 d 实体单元p l n e l 3 。 材料属能的定义。在划分网格之前，需根据图2 3 先设置活塞、激励线圈、 磁流变液、工作缸的磁学性能参数。 参数化建模。磁路简化成如图2 6 轴对称二维模型后，为便于优化中调整 模型的尺寸，采用对关键结构尺寸变量进行参数化赋值的方法建立几何模型非常 重要。 重庆大学硕士学位论文 划分网格。网格划分的情况决定最终计算结果的准确度。图2 6 给出了网 格划分的例子。 激励加载。由于二维轴对称静磁场计算，采用电流面载荷加载，根据实际 线圈的诸多因素，电流密度为5 a m m 2 。 求解。采用a n s y s 中非线性求解模块进行计算。 计算结果输出。将目标区域的磁感应强度计算结果以文件形式输出，供磁 流变缓冲器设计提取计算。 2 4 最大阻尼力和阻尼力可调范围的理论分析 有限元计算出施加磁场下激活区域的磁流变液磁感应强度后，根据式2 1 计算 出。在低速情况下，阻尼力计算公式通常采用宾汉模型( b p ) 。 + t ( 2 8 ) d - 1 + 等 ( 2 9 ) e 。 纠，+ 等) 警 ( 2 1 0 ) 州2 0 7 + 画罴霜警 ( 2 1 1 ) 1、 1 2 锄+ 0 4 ，呱蒯谢 上式中，k 表示最大阻尼力，d 表示动态范围，表示无场下粘滞阻尼力，e 表示有场下库仑阻尼力。已知，7 表示磁流变液粘度o 2 4 p a s ，咋表示活塞的运 动速度3 1 i l s 。q 表示流量，4 表示活塞截面积，w 表示平板模型宽度，表示磁 流变液在图2 4 中区域2 和区域4 的流速，均可由已知结构参数和四个变量计算。 在中高速情况下，磁流变缓冲器的零场下阻尼力的理论计算将采用比b p 模型 准静态模型更加准确的b p m 模型 4 5 1 。忽略波纹管刚度和阻尼的影响，最大阻尼力 计算公式和动态范围如下： l = 只行4 + 足+ 只 f d = - _ 一+ 1 只行4 + 只 鼽( = 等； f ：翌经! 堡塑! 丝+ 翌坚! 堡三丝：窒丛兰：丝! ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ； 只f r = 0 + + 圪i l + 名狙+ 纰 上式中，表示零场下活塞压缩行程粘滞力，只表示零场下剪切模式下