直筒式磁流变阻尼器优化设计、建模与振动控制及其应用研究

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在车辆、舰船和直升机等运载工具运行过程中振动是不可避免的扰动,会导致运载工具的零部件磨损与仪器设备失效,甚至引发重大事故。实践证明,运载工具在运行中所受到的振动往往是一个随机扰动,传统的被动减振系统不具备自适应减振的功能,难以保证运载工具时刻保持良好的工作性能。因此,本文以磁流变液减振技术为手段,为直升机主减速器系统(直升机主减)、装甲车辆座椅悬挂系统与轮式装甲车辆悬挂系统设计合理的减振机构,提出有效的半主动控制策略,实现磁流变减振系统自适应减振的目的,提升运载工具的工作性能。本文的主要研究内容如下:(1)针对不同减振系统的性能需求,以动力可调倍数最大与电磁线圈匝数最少为优化目标,采用带有精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)完成了磁流变阻尼器结构的多目标优化设计。分别研制了具有质量轻、电磁兼容性好、集成度高等优点的适用于轻型直升机主减减振系统的活塞内通道阀式单出杆磁流变阻尼器、小行程大出力的适用于重型直升机主减减振系统的剪切阀式双出杆磁流变阻尼器与大行程多级线圈的适用于装甲车车辆座椅悬挂系统的剪切阀式双出杆磁流变阻尼器。磁流变阻尼器力学性能测试结果表明设计的三款磁流变阻尼器均具有较大的动力可调倍数与良好的工作性能,满足设计要求。(2)采用人工鱼群算法完成了双出杆磁流变阻尼器Bouc-Wen模型参数的离线辨识,建立了能够准确描述双出杆磁流变阻尼器力学行为的电-磁-力耦合模型。针对双出杆磁流变阻尼器Bouc-Wen模型建立过程中具有未知参数过多,参数辨识工作难度大,耗时长等缺点,建立了一种辨识效率高并保证模拟精度的磁流变阻尼器Bouc-Wen优化模型,完成了单出杆磁流变阻尼器Bouc-Wen优化模型的参数辨识,与未优化Bouc-Wen模型的辨识结果对比表明Bouc-Wen优化模型能够精确地、高效地模拟磁流变阻尼器的动力学特性。(3)针对装甲车辆座椅的防护要求,设计并研制了一款新型磁流变减振防爆座椅。基于磁流变阻尼器的半主动特性与座椅悬挂工作特点,提出了一种兼顾减振控制与冲击控制的混合半主动控制策略。仿真与试验结果表明基于控制的减振防爆座椅能够有效改善驾乘人员的乘坐舒适性与安全性。(4)为了有效降低直升机旋翼通过主减向机身传递的振动,本文基于立方结构的Stewart机构提出了一款磁流变减振平台。针对轻型与重型直升机主减减振系统的减振要求,分别设计研制了轻载型与重载型磁流变六自由度减振平台。采用线性多体系统传递矩阵法(“芮”方法)建立了磁流变六自由度减振平台的动力学模型,推导了减振系统的传递方程、增广特征矢量、体动力学方程与状态方程。针对磁流变阻尼器的非线性滞回特性与六自由度减振平台的工作要求,分别基于On-Off控制算法、PID-Fuzzy控制算法以及LQG控制算法提出了六自由度减振平台的半主动控制方法。数值仿真结果表明所提出的半主动控制方法能够根据负载的姿态对六条磁流变支腿的阻尼力进行实时控制,有效地降低激励经减振平台传递至负载的振动,实现空间六轴减振的目的。重载型主减减振平台振动试验结果表明在某型直升机旋翼一阶通过频率(25.35Hz)处主减减振系统在无控制与有控制情况下均具有优异的减振效果。(5)将磁流变技术引入油气悬挂系统,提出了一款适用于轮式装甲车辆的新型磁流变油气悬挂系统。基于装甲车辆悬挂系统设计要求,完成了磁流变油气弹簧的设计与研制。力学性能测试结果表明磁流变油气弹簧具有优异的力学性能与动力可调系数,满足设计要求。基于磁流变阻尼器Bouc-Wen模型与气体弹性力计算模型,建立了能够准确描述磁流变油气弹簧力学特性的非线性模型。为了验证所设计的磁流变油气悬挂系统的实际应用效果,进行了跑车试验,试验结果表明磁流变油气悬挂系统能够有效改善车辆行驶平顺性,具有很好的工程应用价值。
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