磁流变液阻尼器响应时间的试验研究及其动态磁场有限元分析

摘 要：首先,试验测试了不同速度和电流变化下,大吨位磁流变液阻尼器的响应时间;然后,对激励电流变化时阻尼器的磁场变化进行了有限元模拟,基于阻尼器间隙内磁流变液剪切屈服强度的变化考察了阻尼器的响应时间,并与试验数据做了比较。最后,研究了涡流和阻尼器电磁回路中电流响应时间对阻尼力响应时间的影响。结果表明,可以用有限元模拟得到的间隙内磁流变液的平均有效剪切屈服强度的时程曲线来研究磁流变液阻尼器的响应时间;电磁响应时间是阻尼力响应时间的决定因素,减小阻尼器中的涡流是缩短磁流变液阻尼器响应时间的重要途径;电流下降时涡流对阻尼器磁路的影响要大于电流上升的情况;无论是上升还是下降,电流初值越小,涡流对阻尼器磁路的影响越大,阻尼力响应时间也越长。研究还表明,缩短电流的响应时间,会带来更大的涡流,并不一定能缩短阻尼力的响应时间。     

基于自适应神经模糊的磁流变阻尼器非参数化建模

磁流变阻尼器具有很强的非线性特性,准确描述磁流变阻尼器输入、输出之间的非线性关系,对提高磁流变减振系统的控制精度,保持控制系统稳定性,具有重要意义。针对经典参数化建模存在的大量参数辨识和计算复杂问题,采用自适应神经模糊系统理论,根据磁流变阻尼器实验模型,建立了磁流变阻尼器非参数化模型。它包括两个自适应神经模糊子系统,分别对特定电压下,磁流变阻尼器输入、输出关系以及电压变化导致的阻尼力输出等级进行描述。研究表明：基于自适应神经模糊理论的磁流变阻尼器非参数化模型,能以很高的精度逼近磁流变阻尼器实验模型,真实反映磁流变阻尼器的非线性特性。由于非参数化模型的计算工作量大大减少,有利于实现磁流变减振系统的精确与快速控制。     

火炮磁流变阻尼器试验分析与动态模型

火炮磁流变阻尼器工作在高速高冲击条件下,其动力特性及其力学模型与常用的磁流变阻尼器存在较大不同。针对某型号火炮设计了反后坐用磁流变阻尼器,并进行了5种不同电流下的动态测试,验证了该阻尼器对反后坐控制的可行性。由试验分析得,火炮磁流变阻尼器的输出力不仅与控制电流和后坐速度有关,还与高冲击条件下的磁流变效应的复杂性、惯性力、腔体内气体压力等因素有关。提出了用改进的多项式模型描述火炮磁流变阻尼器,该模型具有形式简洁,易于求解逆模型,便于实时控制等优点。通过参数辨识后的模型能较好的描述火炮反后坐过程中阻尼器的输出力。     

面向轨道车辆抗蛇行振动的磁流变脂阻尼器设计与台架测试

针对磁流变液阻尼器存在磁场利用率不高和磁流变液沉降导致控制特性劣化的问题,提出一种基于多级径向流动模式的磁流变脂阻尼器方案,将磁流变脂的多级径向流动分解为源流与汇流的对称组合,建立了磁流变脂径向流动的分析模型。利用磁流变脂微单元平衡得出了磁流变脂尊静态径向流动微分方程,采用磁流变脂双粘度本构模型和无滑动边界条件,导出了磁流变脂径向流动速度分布函数和径向压力梯度分布函数。绘制了磁流变脂在不同半径处流动速度分布图,得到了磁流变脂阻尼器的阻尼力计算方法。按照轨道车辆抗蛇行减振器的技术要求,设计制作了基于多级径向流动模式的磁流变脂阻尼器样机,利用J95-I型油压减振器试验台对其示功特性进行了测试,结果表明在不同激励电流下的磁流变脂阻尼器理论示功特性与实验示功特性能较好吻合。     

磁流变阻尼器阻尼特性试验与改进阻尼模型研究

对SG-MRD40和RD-1005-3两种型号磁流变阻尼器进行了阻尼特性试验。针对已有的非线性滞回双粘性模型不能准确模拟低频段的阻尼力,提出了一种新的改进的非线性滞回双粘性模型。改进后模型将原模型中单一的屈服后阻尼系数分解为 和 ,分别用来表征速度绝对值增大时对应的屈服后阻尼系数和速度绝对值减小时屈服后阻尼系数,并引入相应的屈服力 ,分段描述磁流变阻尼器屈服后的受力行为。对两种磁流变阻尼器进行的试验建模表明,改进后的模型明显优于改进前的模型,可以较好地表征磁流变阻尼器在屈服后的受力行为,具有更大的适用范围。     

旁置孔隙阀式磁流变阻尼器阻尼力解析解

基于Bingham模型推导了磁流变液流经孔隙阀时流体的运动方程,孔隙阀式磁流变阻尼器阻尼力与阻尼器的结构参数、磁流变液的性能参数的关系为四次代数方程,应用代数方程理论得到了阻尼力的解析解,分析了磁流变液的黏度、屈服强度、磁流变阻尼器结构参数对阻尼性能的影响,本文的研究可用于指导阻尼器设计。     

磁流变阻尼器特性的实验研究

结合磁流变阻尼器的工作原理和阻尼力简化模型,对不同激励振幅、激励频率、控制电流下的磁流变阻尼器的阻尼力特性、耗能特性、响应时间进行了一系列的实验研究。分析得出,磁流变阻尼器具有极强的减振耗能作用,且耗能能力随着控制电流、激振振幅和频率的增加而增大。磁流变阻尼器的响应时间随控制电流的变化不太明显,但是随着激振速度的增加迅速减小。     

多环形槽结构磁流变阻尼器的实验建模

对自行设计的、多环形槽结构磁流变阻尼器进行了理论分析与实验建模.该阻尼器的主要特点是在阻尼活塞周向表面上开有若干个矩形齿状环形槽,并且通过磁路设计,使流经阻尼通道处的磁流变液流动方向与其作用的磁力线方向垂直,用以增大阻尼力和阻尼力变化范围.然后从磁流变液的流变特性、电磁学的角度出发,利用修正了的非牛顿流体宾汉模型、结合实验数据,建立了该阻尼器的力学模型.利用该模型绘制和分析了外加磁场(通过施加电流实现)和阻尼力之间关系曲线,与实验结果较好吻合,从而证明了模型的正确性,为磁流变液阻尼器设计和性能预测提供了参考.     

剪切阀式磁流变阻尼器动态特性实验研究

介绍了剪切阀式磁流变阻尼器的结构和工作原理,基于平板模型得出了其阻尼力的计算公式。对自行研制的剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力、电流、位移、速度和频率等动态特性进行了实验研究。结果表明剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力随控制电流的增大呈非线性增加,阻尼力可调系数随电流变化连续可调。在相同振幅下,阻尼器的可调倍数随频率增大而降低,阻尼力随振动频率的增大而增大。通过深入分析该型阻尼器的动力特性,为其在车辆悬挂系统半主动控制中的应用奠定了基础。     

磁流变阻尼器的改进多项式模型及验证

为更好地将磁流变阻尼器应用于磁流变阻尼器耦合系统的振动半主动控制,需建立较为精确的磁流变阻尼器动力学模型。已有的多项式模型对磁流变阻尼器的阻尼力-速度曲线拟合精度较高,但高次多项式拟合易出现Runge现象,导致拟合曲线的两端出现剧烈地振荡。为消除Runge现象,本文提出分段3次多项式模型并采用最小二乘法对其进行参数辨识。与试验数据相比,分段3次多项式模型能够较好地拟合磁流变阻尼器的阻尼力-速度曲线,而且消除了Runge现象。     

基于“映射圆”模型的汶川8.0级地震峰值加速度衰减关系

目前,主要有三种类型的地震动衰减关系模型：圆模型、断层破裂模型及椭圆模型,而这三种模型都存在一定弊端。在假设烈度与地震动存在某种线性关系的基础上,从等震线的形状出发,将地震引起的断层破裂压缩到震中,相应压缩后的等震线也从椭圆状变成反映圆模型的圆形等震线特性。用映射法描述这一转变过程,并将这一模型定义为地震动衰减关系的“映射圆”模型。结合汶川8.0级地震的记录,分别回归出圆模型、断层破裂模型及 “映射圆”模型的地震加速度峰值衰减关系。结果表明“映射圆”模型相对于其他两个模型更加理想。     

含硬涂层结构的表面微观接触新模型

为研究含有硬涂层的粗糙表面中微凸体和基体变形对表面微观接触特性的影响规律,利用Hertz接触理论分别求出微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法确定微凸体变形量,建立关于微凸体接触变形量的刚度模型,通过并联关系耦合接触刚度,建立新的接触表面微观接触模型。为验证新模型对含有硬涂层的粗糙表面接触特性描述的正确性,建立了不同大小和不同材料的单微凸体有限元模型,通过与Hertz模型、有限元分析结果比较,发现当基体材料和微凸体材料不同时,微凸体/基体系统的应力分布会不均匀,微凸体表面的接触力比材料相同时的接触力小,最大应力比材料相同时的最大应力大;在变形量很小的时候,Hertz模型解和新模型解都很好地与有限元分析结果相吻合,随着变形量的变大,有限元分析解和新模型解开始同时偏离Hertz模型解,但新模型解一直趋近于有限元分析解。     

基于四区域椭圆模型的汶川8.0地震加速度峰值衰减关系拟合

利用加速度记录直接拟合衰减关系时,现行几乎所有文献都采用圆模型,以震中距或震源距为观测点坐标位置的唯一统计量。对于长断层的大震而言,等震线的圆模型假设和实际等震线图存在严重的偏差,加速度峰值在沿断层方向的长轴和垂直于断层方向的短轴衰减关系差异非常明显。提出的加速度衰减关系的四区域椭圆模型,按断层破裂方向的长轴和过断层为中心垂直于长轴的短轴将地震记录观测点位置分为四个区域,以烈度等值线为参考,给出了四个区域内各自的加速度峰值等值线的椭圆近似曲线。并在此基础上得出了汶川8.0级地震加速度峰值在两个长半轴和两个短半轴方向上的衰减关系,和圆模型相比,该模型在精度上更加可靠,且能够反映断层破裂方向效应和上下盘效应,具有较强的工程应用价值。     

爆炸驱动多层球形破片初速场分析

为准确计算多层球形破片在爆炸驱动下的初速场,通过对装药结构的等效分析,基于Gurney假定和相邻层颗粒之间力和力的波动量等概率传递假定,忽略排列方式引起的孔隙率变化,应用动量和能量守恒建立了破片初速场的理论计算模型。该模型反映了炸药参数和破片的密度、层数和直径等因素对破片初速的影响;针对典型的爆炸驱动前向多层破片模型,用LS-DYNA3D非线性有限元程序对多层钨球破片的爆炸驱动过程进行数值模拟,开展了相关验证试验并分析了理论计算值与试验误差产生的原因,分析讨论了不同球形破片直径和不同破片层数下破片初速的变化情况。结果表明:理论计算值与数值模拟及试验结果吻合较好;随着相同直径破片层数的增大,破片初速减小,相邻层间破片的速度差值更大;层数相同时,随着破片直径的减小,破片初速增大,但相邻层数破片的速度差值更小。     

重力坝动水压力模型试验的数值重构研究

由于试验设备及模型材料的限制,在重力坝动力模型试验中采用在坝体模型上游安置水箱内盛满水的方法模拟重力体-库水系统相互作用的效果存在误差。为此,采用流固耦合模型对重力坝动水压力模型试验进行数值重构分析的方法,研究了用上游水箱中盛满水模拟地震作用下原型库水对坝体动力作用产生误差的原因。研究结果表明,水箱内水体密度及可压缩性是导致试验中坝体-水库系统相互作用效果偏小的两个原因,其水体密度偏小更为主要因素。据此,提出了修正上述误差的三种可行且准确的方法。     

阻尼矩阵与刚度矩阵的一种直接修正方法

提出了一种利用复模态测量数据同时修正有限元阻尼与刚度矩阵的有效方法。借助于矩阵的奇异值分解得到了满足动力方程的最小修正矩阵。该方法有一个简洁的表达式,修正过程简单而且容易实现,数值试验表明修改后的结构参数能准确地同试验值吻合。     

基于叠加模型的橡胶元件动态特性分析

基于模型叠加理论,针对橡胶元件的动态特性开展研究。采用时间—步长法,在MATLAB中建立了一维多参数橡胶叠加本构模型。模型由弹性单元、黏弹单元和弹塑单元并联构成。黏弹单元采用Able黏壶,用于表征橡胶元件的频率依赖性;弹塑单元采用多线性理想弹塑模型,用于表征橡胶元件的振幅依赖性。对比测试结果表明:在计算谐波激励下橡胶弹簧的受力时,力—位移迟滞曲线的计算结果与测试数据能很好地吻合,刚度频率振幅依赖性和阻尼频率依赖性能被较好的表征。在计算随机激励下橡胶隔振器的受力时,高频激励下的计算结果与测试数据能较好地吻合,低频激励下有一定程度的偏差,但计算精度在工程可接受范围之内。提出的叠加模型能较好的表征橡胶元件的动态特性,能够提高动力学模型的准确性。     

基于概率-凸集混合模型的汽车正面碰撞结构可靠性优化设计

本文基于概率和凸集模型研究汽车正面碰撞可靠性优化设计问题。根据汽车吸能结构厚度、材料参数等不确定参数类型,分别采用概率和多椭球凸模型进行描述,以汽车正面碰撞安全性可靠性指标为约束,考虑汽车吸能结构质量为优化目标,建立了一种基于混合模型的可靠性优化设计模型。采用拉丁方试验设计构造了目标函数和约束函数的Kriging近似模型,利用功能度量法求解可靠度指标值,通过基于移动因子序列优化与可靠性评定将嵌套优化解耦为单层次优化。实际算例表明算法具有较高的计算效率及精度,对实际设计工作有一定参考价值。     

基于近场动力学方法的混凝土板侵彻问题研究

由于近场动力学(Peridynamics)用统一空间积分-时间微分方程描述物体连续或不连续区域,改进常用微观弹脆性模型对势本构力函数,给出刚性体与变形体冲击问题接触算法;编制计算程序,验证经典简支梁变形及Kalthoff-Winkler试验;数值模拟刚性弹丸侵彻混凝土矩形板破坏过程,揭示损伤累积及裂纹扩展全过程与最终破坏形态。结果表明,改进的近场动力学模型及算法合理、可靠,能有效模拟混凝土结构冲击破坏及侵彻问题。     

流场中填充吸声材料夹层板结构的声振耦合特性

采用等效流体模拟吸声材料,建立了外部流场作用下填充吸声材料夹层板结构的声振耦合模型,应用波动分析方法研究结构中声的透射特性,分析了入射声波入射角和方位角、流场流速和流向、夹层结构几何尺寸等参数对填充吸声材料夹层板结构声振耦合特性的影响。仿真计算表明吸声材料提高了双层板结构的隔声性能;隔声性能随着面板厚度和夹层厚度的增加而提高,随着入射角和方位角的增大而减小;在计算频段内(0~5000Hz),逆流入射时传声损失随着马赫数的增大而减小,顺流入射时却随着马赫数的增大而增大。