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性能導向的復合阻尼間隙磁流變阻尼單元的優化設計方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510396796.1

申請日:

2015.07.02

公開號:

CN105045986A

公開日:

2015.11.11

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150702|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 浙江大學
發明人: 朱笑叢; 司晨; 曹劍
地址: 310058浙江省杭州市西湖區余杭塘路866號
優先權:
專利代理機構: 杭州求是專利事務所有限公司33200 代理人: 邱啟旺
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510396796.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.04.10|||2015.12.09|||2015.11.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種性能導向的復合阻尼間隙磁流變阻尼單元的優化設計方法,包括以下步驟:獲取用戶對性能的需求以及所需要的數據,確定外部設計參數和待優化內部設計參數,進行無量綱處理并確定具體值或范圍,建立阻尼單元的磁場強度等計算模型,建立阻尼單元的性能模型,對特定的阻尼單元長徑比建立并運行優化函數,得到相應的優化參數和優化后的性能,最后在給定的長徑比范圍內,重復上一步驟,繪制出相應的優化參數和優化性能敏感度曲線,根據應用環境等在性能敏感度曲線上靈活確定外部設計參數;該方法對磁流變阻尼單元的性能分析提供了精確、可靠、清晰的無量綱化的參數影響曲線,可實現對磁流變阻尼單元的優化設計。

權利要求書

1.一種性能導向的復合阻尼間隙磁流變阻尼單元的優化設計方法,所述復合
阻尼間隙磁流變阻尼單元包括繞線套筒(1)、閥芯(2)、線圈(3)、連接銷(4)、
非導磁墊片(5)、上導磁圓環(6a)、下導磁圓環(6b)、上導磁圓盤(7a)、下
導磁圓盤(7b)、缸體(11)等;閥芯(2)、繞線套筒(1)、線圈(3)、缸體(11)
由內向外依次同軸安裝;繞線套筒(1)同軸安裝在閥芯(2)外部。上導磁圓
盤(7a)、下導磁圓盤(7b)分別通過連接銷(4)安裝在閥芯(2)的兩端,上
導磁圓盤(7a)與閥芯(2)之間、下導磁圓盤(7b)與閥芯(2)之間均墊有
非導磁墊片(5),形成圓盤形液流通道(9);上導磁圓環(6a)同軸安裝在上
導磁圓盤(7a)外部、下導磁圓環(6b)同軸安裝在下導磁圓盤(7b)外部,
上導磁圓環(6a)與上導磁圓盤(7a)之間、下導磁圓環(6b)與下導磁圓盤(7b)
之間分別形成圓環形液流通道(8)。線圈(3)繞在繞線套筒(1)上;上導磁
圓盤(7a)末端和下導磁圓盤(7b)末端均設置有螺紋;所述閥芯(2)中心設
置有圓筒形液流通道(10),圓環形液流通道(8)、圓盤形液流通道(9)、圓筒
形液流通道(10)依次連通,形成完整的圓環-圓盤-圓筒形復合阻尼間隙。缸體
(11)的一側開有引線孔,線圈(3)的導線從所述引線孔引出;缸體(11)內
部設置階梯孔,階梯孔與上導磁圓環(6a)形成臺階配合;所述繞線套筒(1),
連接銷(4)、非導磁墊片(5)采用非導磁材料,上導磁圓環(6a)、下導磁圓
環(6b)、上導磁圓盤(7a)、下導磁圓盤(7b)、缸體(11)均采用導磁材料;
其特征在于,該方法包括以下步驟:
步驟一:獲取磁流變液的HMR-τy(磁場強度‐剪切屈服應力)特性、BMR-HMR
(磁感應強度‐磁場強度)特性、磁流變液的粘度系數ηMRF、磁流變液的飽和磁
場強度HMRF,sat、所選用導磁材料的相對磁導率μsteel;所選用導磁材料的飽和磁感
應強度Bsteel,sat、真空磁導率μ0,磁流變阻尼單元的最大工作流量Q及最大激勵電
流I;銅絲截面積Aω、銅導線的電阻率ρω;缸體(11)外表面的半徑R,用戶
所要求的性能需求,包括主動壓降需求ΔPAR,τref、被動壓降需求ΔPAR,ηref、動態調節
系數需求λref、響應時間需求Tinref;
步驟二:確定無量綱化的外部尺寸設計參數,包括阻尼單元的長徑比
考慮阻尼單元的實用型,設定其范圍為0.5~3,其中L為上導磁圓環(6a)上表
面與下導磁圓環(6b)下表面之間的距離;
確定并計算無量綱化的外部電磁設計參數φI和外部流體設計參數φQ,其中,
τy,sat為磁流變液的飽和剪切屈服應力,磁流變液的剪
切屈服應力可由公式得到,c0、c1、c2、c3、c4為
磁流變液的的擬合參數,因此, τ y , s a t = c 0 + c 1 H M R , s a t + c 2 H M R , s a t 2 + c 3 H M R , s a t 3 + c 4 H M R , s a t 4 ; ]]>
步驟三:確定待優化內部設計參數,包括上導磁圓盤(7a)和下導磁圓盤
(7b)的厚度La,閥芯半徑Rc,圓環形液流通道寬度ta,圓盤形液流通道的寬
度tr(ta=tr),缸體厚度th;圓筒形液流通道(10)的半徑R0,繞線套筒(1)的
筒壁厚度tb1,線圈(3)與缸體(11)的間隙寬度tb2,并將上述待優化內部設計
參數轉換成無量綱形式,并設定具體值或范圍。
其中,圓環形液流通道的寬度ta與缸體(11)外表面半徑R之比φta的范圍
約為0.02~0.15;圓盤形液流通道的寬度tr與缸體(11)外表面半徑R之比φtr的
范圍約為0.02~0.15;閥芯厚度RC與缸體(11)外表面半徑R之比的范圍φRc約為
0.25~0.7;導磁圓盤厚度La與上導磁圓環(6a)上表面與下導磁圓環(6b)下表
面之間的距離L之比φLa的范圍約為0.1~0.4;缸體厚度th與缸體(11)外表面半
徑R之比φth的范圍約為0.1~0.4;圓筒形液流通道(10)的半徑Rs與缸體(11)
外表面半徑R之比φRs的范圍約為0~0.4,繞線套筒(1)的筒壁厚度tb1與缸體(11)
外表面半徑R之比φtb1的范圍約為0~0.15,線圈(3)與缸體(11)的間隙寬度
tb2與缸體(11)外表面半徑R之比φtb2的范圍約為0~0.15;
步驟四:建立圓環阻尼間隙中的磁場強度HMR,a、剪切屈服應力τy,a,圓盤阻
尼間隙中的磁場強度HMR,r、剪切屈服應力τy,r的計算模型,具體如下:
將主磁力線回路按導磁介質和磁通面積形狀分段,計算各段的磁通面積,磁力
線長度,根據磁場定律和回路中各段材料的H-B關系獲得主磁力線回路磁通量
Φ0,從而獲得各段磁感應強度并將磁感應強度與該段導磁介質的飽和
磁感應強度比較,若第j段的磁感應強度大于該段材料的飽和磁感應強度Bj,sat(當
介質為導磁材料時,則Bj,sat=Bsteel,sat,當介質為磁流變液時,則Bj,sat=BMRF,sat),則
計算該段的飽和磁通量Φj=Bj,sat·Sj;其中Sj為第j段的磁通面積。以Φj為基準Φ0,
結合各段的磁通面積,重新計算各段的磁感應強度直到使各段的磁感
應強度Bj滿足Bj≤Bj,sat,由各段的磁感應強度即可得到各段的磁場強度,
其中b0、b1、b2、b3、b4為磁流變液的擬合參數;
由此可得到圓環形流道的的磁感應強度圓環形流道的磁場強度
H M R , a = b 0 + b 1 B M R , a + b 2 B M R , a 2 + b 3 B M R , a 3 + b 4 B M R , a 4 , ]]>圓環形流道的磁流變液剪切屈服應力
τ y , a = c 0 + c 1 H M R , a + c 2 H M R , a 2 + c 3 H M R , a 3 + c 4 H M R , a 4 ; ]]>圓盤形流道的的磁感應強度 B M R , r = Φ 0 S M R , r , ]]>
盤形流道的磁場強度 H M R , r = b 0 + b 1 B M R , r + b 2 B M R , r 2 + b 3 B M R , r 3 + b 4 B M R , r 4 , ]]>圓盤形流道的磁流
變液剪切屈服應力 τ y , r = c 0 + c 1 H M R , r + c 2 H M R , r 2 + c 3 H M R , r 3 + c 4 H M R , r 4 ; ]]>SMR,a為圓環形阻尼間隙
處的磁通面積,SMR,r為圓盤形阻尼間隙處的磁通面積;
步驟五,建立性能計算模型,根據無量綱參數φQ、φI、φLR,圓環形阻尼間
隙中的磁場強度HMR,a,剪切屈服應力τy,a,圓盤形阻尼間隙中的磁場強度HMR,r,
剪切屈服應力τy,r進一步得到阻尼單元的主動阻尼壓降ΔPAR,τ、被動阻尼壓降
ΔPAR,η、動態調節系數λ、感應時間常數Tin、電阻線圈熱功耗E,其中,
ΔP A R , τ = 2 c a φ L a φ L R φ t a t y , a ( H M R , a ) + 2 c r ( φ R c - φ R s ) φ t r t y , r ( H M R , r ) - - - ( 1 a ) ]]>
ΔP A R , η = 12 φ Q φ L a φ L R τ y , s a t πφ t a 3 φ R d [ 1 + φ R d φ L a φ L R ln φ R c φ R s + 2 φ t a 3 φ R d 3 φ L a φ L R ( φ L R - 2 φ L a φ L R - 2 t a ) φ R s 4 ] - - - ( 2 a ) ]]>
T i n = 2 φ R d φ L a φ L R d c B M R , a R 2 ρ ω H M R , s a t 1 φ I - - - ( 3 a ) ]]>
E=nπρωφωcφwhφdcφI2RHMR,sat2(4a)
λ = ΔP A R , τ ΔP A R , η - - - ( 5 a ) ]]>
式中,φωc=1-φRc-φth-φtb1-φtb2,φωh=φLR/n-2φLaφLR-2φtb-2φta,
φRd=φRc+0.5φta,φdc=1+φRc-φth+φtb1-φtb2;ca、cr為修正系數,取值均為2;
步驟六:建立優化函數,將狀態計算模型和性能計算模型輸入到優化函數
中,以主動阻尼壓降ΔPAR,τ的倒數為目標函數,即Jopt=1/ΔPAR,τ,以步驟一和二中
的參數范圍以及不等式(6a)為結構約束條件,以ΔPAR,η≤ΔPAR,ηref、Tin≤Tinref和λ≥λref
為性能約束條件;對待優化內部設計變量賦予初值;
φ w c = 1 - φ R c - φ t h - φ t b 1 - φ t b 2 > 0 φ w h = φ L R / n - 2 φ L a φ L R / n - 2 φ t b 1 - φ t a > 0 φ R c - φ R s > 0 φ w h - h max φ w c < 0 h min φ w c - φ w h < 0 - - - ( 6 a ) ]]>
式中,hmax、hmin為線圈長寬比的最大值和最小值,由用戶根據安裝等應用
限制確定;
采用全局優化算法,獲得特定外部設計參數下的內部設計參數的最優值和
相應的滿足上述約束條件的最優性能。
步驟七:對外部設計參數φLR,從其范圍中選取N個點(包括端點),φLR1~φLRN,
使其范圍N-1等分,對φLR1~φLRN中各個值采用步驟六,獲得滿足ΔPAR,η≤ΔPAR,ηref、
Tin≤Tinref以及λ≥λref性能約束條件和結構約束條件的優化設計參數φRc,φth,φta,
φLa的取值和根據公式(1a)-(5a)計算的最優性能,最終輸出φLR~φth,φLR~φRc,φLR~φta,
φLR~φLa4條優化參數曲線,以及φLR~ΔPAR,τ、φLR~ΔPAR,η、φLR~λ、φLR~E、φLR~Tin
5條優化性能曲線。
若因不滿足性能約束條件而無優化曲線,則返回步驟一,改變R的取值,
重復步驟一至六,獲得優化曲線。
步驟八:根據給定的阻尼單元半徑R,結合步驟七得到的優化參數曲線,將
優化后的無量綱參數轉換成有量綱參數,得到τh、τa、τr、τb1、τb2、RS、RC、
L、La等參數,完成阻尼單元優化設計。

說明書

性能導向的復合阻尼間隙磁流變阻尼單元的優化設計方法

技術領域

本發明涉及磁流變液和液壓阻尼單元參數優化設計領域,更具體地涉及一種性能導向的磁流變阻尼單元的優化設計方法。

背景技術

磁流變阻尼單元是一種利用磁流變液效應設計的液壓控制單元,是磁流變閥和磁流變阻尼器中的核心部件,可通過改變勵磁線圈中的電流來控制加載于磁流變液中的磁場,以改變流體的阻尼特性,達到流量和壓降控制。同時具有圓環形和圓盤形液流通道的磁流變阻尼單元,由于其復合阻尼間隙以及導磁圓環的設計,使得磁場對磁流變液的剪切面積增大,剪切位置適當,磁場利用率大大提高,響應時間大幅度減少,相比其它結構的磁流變阻尼單元,應用范圍廣,性能優良,具有很高的實用性。然而,磁流變液阻尼單元的設計參數對工作性能具有很大的影響,在體積受限和滿足用戶應用需求的情況下,如何優化設計參數使得磁流變阻尼單元的性能達到最優,是本行業亟待解決的問題。

磁流變閥的優化設計主要以兩個方面為準則,一是在較小的結構空間中獲得盡可能優良的工作性能;二是在根據實際應用環境和性能需求選擇合適的結構尺寸。然而,磁流變阻尼單元由于其涵蓋機械、電磁、流體三個領域,且其復雜的參數之間具有耦合的影響,因此提出一種清晰、準確、實用性高的優化設計模型對磁流變阻尼單元的發展意義重大。

最初的磁流變阻尼單元結構的優化設計研究主要集中在對機械參數進行近似優化以期達到某一性能,這種優化方法忽略了磁飽和現象,簡化了各類參數之間的復雜關系,使得優化精確度大幅降低。美國馬里蘭大學曾對單線圈環形流道的磁流變閥提出了一種體積限定條件下的結構參數優化設計準則,該方法從磁路建模進行分析并用有限元法獲得不同參數下的磁感應強度,然而磁流變阻尼性能不僅僅取決于磁路,更受到阻尼流道結構的影響。Nguyen等人建立了了磁流變閥的動態調節范圍,進出口壓降等性能指標,對單線圈流道和雙線圈流道分別進行了優化分析,并通過懲罰函數將單目標的約束優化問題轉變為無量綱的非約束優化問題。但是這種方法,沒有考慮到磁流變阻尼流道中的磁飽和效應,以及電磁間可能存在的干擾問題。

發明內容

本發明專利提供了一種性能導向的復合阻尼間隙磁流變阻尼單元的優化設計方法。該方法綜合考慮機械、電磁、流體三方面因素,建立磁流變阻尼單元性能的分析模型,并通過參數分層,將繁瑣的參數歸類為內部設計參數與外部設計參數。進一步通過無量綱化處理,建立起以主動阻尼壓降為目標函數的多約束條件下的優化模型,既可以求解內部設計參數的最優解,同時分析外部設計參數對性能影響的敏感性。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下:

一種性能導向的復合阻尼間隙磁流變阻尼單元的優化設計方法,所述復合阻尼間隙磁流變阻尼單元包括繞線套筒、閥芯、線圈、連接銷、非導磁墊片、上導磁圓環、下導磁圓環、上導磁圓盤、下導磁圓盤、缸體等;閥芯、繞線套筒、線圈、缸體由內向外依次同軸安裝;繞線套筒同軸安裝在閥芯外部。上導磁圓盤、下導磁圓盤分別通過連接銷安裝在閥芯的兩端,上導磁圓盤與閥芯之間、下導磁圓盤與閥芯之間均墊有非導磁墊片,形成圓盤形液流通道;上導磁圓環同軸安裝在上導磁圓盤外部、下導磁圓環同軸安裝在下導磁圓盤外部,上導磁圓環與上導磁圓盤之間、下導磁圓環與下導磁圓盤之間分別形成圓環形液流通道。線圈繞在繞線套筒上;上導磁圓盤末端和下導磁圓盤末端均設置有螺紋;所述閥芯中心設置有圓筒形液流通道,圓環形液流通道、圓盤形液流通道、圓筒形液流通道依次連通,形成完整的圓環-圓盤-圓筒形復合阻尼間隙。缸體的一側開有引線孔,線圈的導線從所述引線孔引出;缸體內部設置階梯孔,階梯孔與上導磁圓環形成臺階配合;所述繞線套筒,連接銷、非導磁墊片采用非導磁材料,上導磁圓環、下導磁圓環、上導磁圓盤、下導磁圓盤、缸體均采用導磁材料;該方法包括以下步驟:

步驟一:獲取磁流變液的HMR-τy(磁場強度‐剪切屈服應力)特性、BMR-HMR(磁感應強度‐磁場強度)特性、磁流變液的粘度系數ηMRF、磁流變液的飽和磁場強度HMRF,sat、所選用導磁材料的相對磁導率μsteel;所選用導磁材料的飽和磁感應強度Bsteel,sat、真空磁導率μ0,磁流變阻尼單元的最大工作流量Q及最大激勵電流I;銅絲截面積Aω、銅導線的電阻率ρω;缸體外表面的半徑R,用戶所要求的性能需求,包括主動壓降需求ΔPAR,τref、被動壓降需求ΔPAR,ηref、動態調節系數需求λref、響應時間需求Tinref;

步驟二:確定無量綱化的外部尺寸設計參數,包括阻尼單元的長徑比考慮阻尼單元的實用型,設定其范圍為0.5~3,其中L為上導磁圓環上表面與下導磁圓環下表面之間的距離;

確定并計算無量綱化的外部電磁設計參數φI和外部流體設計參數φQ,其中,τy,sat為磁流變液的飽和剪切屈服應力,磁流變液的剪切屈服應力可由公式 τ y = c 0 + c 1 H M R + c 2 H M R 2 + c 3 H M R 3 + c 4 H M R 4 ]]>得到,c0、c1、c2、c3、c4為磁流變液的的擬合參數,因此, τ y , s a t = c 0 + c 1 H M R , s a t + c 2 H M R , s a t 2 + c 3 H M R , s a t 3 + c 4 H M R , s a t 4 ; ]]>

步驟三:確定待優化內部設計參數,包括上導磁圓盤和下導磁圓盤的厚度La,閥芯半徑Rc,圓環形液流通道寬度ta,圓盤形液流通道的寬度tr(ta=tr),缸體厚度th;圓筒形液流通道的半徑R0,繞線套筒的筒壁厚度tb1,線圈與缸體的間隙寬度tb2,并將上述待優化內部設計參數轉換成無量綱形式,并設定具體值或范圍。

其中,圓環形液流通道的寬度ta與缸體外表面半徑R之比φta的范圍約為0.02~0.15;圓盤形液流通道的寬度tr與缸體外表面半徑R之比φtr的范圍約為0.02~0.15;閥芯厚度RC與缸體外表面半徑R之比的范圍φRc約為0.25~0.7;導磁圓盤厚度La與上導磁圓環上表面與下導磁圓環下表面之間的距離L之比φLa的范圍約為0.1~0.4;缸體厚度th與缸體外表面半徑R之比φth的范圍約為0.1~0.4;圓筒形液流通道的半徑Rs與缸體外表面半徑R之比φRs的范圍約為0~0.4,繞線套筒的筒壁厚度tb1與缸體外表面半徑R之比φtb1的范圍約為0~0.15,線圈與缸體的間隙寬度tb2與缸體外表面半徑R之比φtb2的范圍約為0~0.15;

步驟四:建立圓環阻尼間隙中的磁場強度HMR,a、剪切屈服應力τy,a,圓盤阻尼間隙中的磁場強度HMR,r、剪切屈服應力τy,r的計算模型,具體如下:

將主磁力線回路按導磁介質和磁通面積形狀分段,計算各段的磁通面積,磁力線長度,根據磁場定律和回路中各段材料的H-B關系獲得主磁力線回路磁通量Φ0,從而獲得各段磁感應強度并將磁感應強度與該段導磁介質的飽和磁感應強度比較,若第j段的磁感應強度大于該段材料的飽和磁感應強度Bj,sat(當介質為導磁材料時,則Bj,sat=Bsteel,sat,當介質為磁流變液時,則Bj,sat=BMRF,sat),則計算該段的飽和磁通量Φj=Bj,sat·Sj;其中Sj為第j段的磁通面積。以Φj為基準Φ0,結合各段的磁通面積,重新計算各段的磁感應強度直到使各段的磁感應強度Bj滿足Bj≤Bj,sat,由各段的磁感應強度即可得到各段的磁場強度, H M R = b 0 + b 1 B M R + b 2 B M R 2 + b 3 B M R 3 + b 4 B M R 4 ; ]]>其中b0、b1、b2、b3、b4為磁流變液的擬合參數;

由此可得到圓環形流道的的磁感應強度圓環形流道的磁場強度 H M R , a = b 0 + b 1 B M R , a + b 2 B M R , a 2 + b 3 B M R , a 3 + b 4 B M R , a 4 , ]]>圓環形流道的磁流變液剪切屈服應力 τ y , a = c 0 + c 1 H M R , a + c 2 H M R , a 2 + c 3 H M R , a 3 + c 4 H M R , a 4 ; ]]>圓盤形流道的的磁感應強度 B M R , r = Φ 0 S M R , r , ]]>圓盤形流道的磁場強度 H M R , r = b 0 + b 1 B M R , r + b 2 B M R , r 2 + b 3 B M R , r 3 + b 4 B M R , r 4 , ]]>圓盤形流道的磁流變液剪切屈服應力 τ y , r = c 0 + c 1 H M R , r + c 2 H M R , r 2 + c 3 H M R , r 3 + c 4 H M R , r 4 ; ]]>SMR,a為圓環形阻尼間隙處的磁通面積,SMR,r為圓盤形阻尼間隙處的磁通面積;

步驟五,建立性能計算模型,根據無量綱參數φQ、φI、φLR,圓環形阻尼間隙中的磁場強度HMR,a,剪切屈服應力τy,a,圓盤形阻尼間隙中的磁場強度HMR,r,剪切屈服應力τy,r進一步得到阻尼單元的主動阻尼壓降ΔPAR,τ、被動阻尼壓降ΔPAR,η、動態調節系數λ、感應時間常數Tin、電阻線圈熱功耗E,其中,

ΔP A , τ = 2 c a φ L a φ L R φ t a t y , a ( H M R , a ) + 2 c r ( φ R c - φ R s ) φ t r t y , r ( H M R , r ) - - - ( 1 a ) ]]>

ΔP A R , η = 12 φ Q φ L a φ L R τ y , s a t πφ t a 3 φ R d [ 1 + φ R d φ L a φ L R l n φ R c φ R s + 2 φ t a 3 φ R d 3 φ L a φ L R ( φ L R - 2 φ L a φ L R - 2 t a ) φ R s 4 ] - - - ( 2 a ) ]]>

T i n = 2 φ R d φ L a φ L R d c B M R , a R 2 ρ ω H M R , s a t 1 φ I - - - ( 3 a ) ]]>

E=nπρωφωcφwhφdcφI2RHMR,sat2(4a)

λ = Δp A R , τ Δp A R , η - - - ( 5 a ) ]]>

式中,φωc=1-φRc-φth-φtb1-φtb2,φωh=φLR/n-2φLaφLR-2φtb-2φta,φRd=φRc+0.5φta,φdc=1+φRc-φth+φtb1-φtb2;ca、cr為修正系數,取值均為2;

步驟六:建立優化函數,將狀態計算模型和性能計算模型輸入到優化函數中,以主動阻尼壓降ΔPAR,τ的倒數為目標函數,即Jopt=1/ΔPAR,τ,以步驟一和二中的參數范圍以及不等式(6a)為結構約束條件,以ΔPAR,η≤ΔPAR,ηref、Tin≤Tinref和λ≥λref為性能約束條件;對待優化內部設計變量賦予初值;

φ w c = 1 - φ R c - φ t h - φ t b 1 - φ t b 2 > 0 φ w h = φ L R / n - 2 φ L a φ L R / n - 2 φ t b 1 - φ t a > 0 φ R c - φ R s > 0 φ w h - h max φ w c < 0 h m i n φ w c - φ w h < 0 - - - ( 6 a ) ]]>

式中,hmax、hmin為線圈長寬比的最大值和最小值,由用戶根據安裝等應用限制確定;

采用全局優化算法,獲得特定外部設計參數下的內部設計參數的最優值和相應的滿足上述約束條件的最優性能。

步驟七:對外部設計參數φLR,從其范圍中選取N個點(包括端點),φLR1~φLRN,使其范圍N-1等分,對φLR1~φLRN中各個值采用步驟六,獲得滿足ΔPAR,η≤ΔPAR,ηref、Tin≤Tinref以及λ≥λref性能約束條件和結構約束條件的優化設計參數φRc,φth,φta,φLa的取值和根據公式(1a)-(5a)計算的最優性能,最終輸出φLR~φth,φLR~φRc,φLR~φta,φLR~φLa4條優化參數曲線,以及φLR~ΔPAR,τ、φLR~ΔPAR,η、φLR~λ、φLR~E、φLR~Tin5條優化性能曲線。

若因不滿足性能約束條件而無優化曲線,則返回步驟一,改變R的取值,重復步驟一至六,獲得優化曲線。

步驟八:根據給定的阻尼單元半徑R,結合步驟七得到的優化參數曲線,將優化后的無量綱參數轉換成有量綱參數,得到τh、τa、τr、τb1、τb2、RS、RC、L、La等參數,完成阻尼單元優化設計。

本發明與技術背景相比,具有的優點:

磁流變阻尼單元的結構尺寸決定著阻尼單元的主動壓降、被動壓降、響應時間等各項工作性能,而且結構參數與流體參數及電磁參數對性能的影響具有耦合效應,特別是具有復合阻尼間隙的磁流變阻尼單元,各類參數對性能的敏感度更高。然而,國內外對磁流變阻尼單元的優化設計方法僅停留在定性的結構分析層面上,且只對單一參數進行優化分析,大都憑經驗在大體范圍內選擇某一數值。因此,本發明具有以下技術效果:

1.本發明對從流體、結構、電磁三方面入手對磁流變阻尼單元建立了完整、精準、可靠的分析模型,并建立了精確的工作性能模型;

2.本發明采用無量綱化方法,簡化了分析模型和性能模型,更加直觀地反映了各類參數對工作性能的影響;

3.本發明將模型的參數歸為兩類,即內部設計參數φta、φth、φRs、φRc、φta、φtb、φLa,以及外部設計參數φLR(結構相關)、φI(電磁相關)、φF(流體相關),使模型進一步明晰;

4.本發明既可應用在復合阻尼間隙磁流變阻尼單元,通用性高。

5.本發明在實際應用時,可根據外部環境的限制對外部設計參數進行約束,應用范圍廣。

附圖說明

圖1是磁流變阻尼單元優化設計方法流程圖;

圖2是復合阻尼間隙磁流變阻尼單元結構示意圖;

圖3是復合阻尼間隙磁流變阻尼單元結構尺寸模型示意圖;

圖4是磁流變阻尼單元狀態變量計算建模流程圖;

圖5是本發明的應用實例1的優化尺寸結果示意圖;

圖6是本發明的應用實例1的優化性能結果示意圖;

圖中,繞線套筒1、閥芯2、線圈3、連接銷4、非導磁墊片5、上導磁圓環6a、下導磁圓環6b、上導磁圓盤7a、下導磁圓盤7b、圓環形液流通道8、圓盤形液流通道9、圓筒形液流通道10、缸體11、活塞桿12。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明作進一步詳細說明。

實例1,本實施例選用如圖2和3所示的磁流變阻尼單元,磁流變液型號選用Lord公司的MRF122EG,導磁材料選用電工純鐵DT4,外部最大激勵電流I=1A,最大流量Q=8.4×10-4m3/s;由于外部工作空間受限,要求阻尼單元長徑比在1.0~2.8范圍之內,根據以上信息優化磁流變阻尼單元,使得性能達到如下要求:主動壓降需求ΔPAR,τref=1MPa,被動壓降需求ΔPAR,ηref=0.35MPa,動態調節系數需求λref=10,響應時間需求Tinref=50ms,具體包括以下步驟:

步驟一,獲取Lord公司的MRF122EG磁流變液的H-τ(磁場強度‐剪切屈服應力)特性、B-H(磁感應強度‐磁場強度)特性,磁流變液的粘度系數ηMR=0.042Pa.s、磁流變液的飽和磁場應強度HMR,sat=300KA/m、導磁材料的飽和磁感應強度Bsat=1.25T,導磁介質的相對磁導率μDT4=2500;真空磁導率μ0=4π×10-7TmA-1,復合磁流變阻尼單元的最大工作流量Q=8.4×10-4m3/s及最大激勵電流I=1A;銅絲截面積Aω=2.463×10-7m2、銅導線的電阻率缸體11外表面的半徑R=0.025m。

其中,由磁流變液的H-τ特性擬合得到磁場強度與剪切強度的關系多項式:

τ y = - 0.5086 × 10 3 + 0.2786 H M R - 6.245 × 10 - 7 H M R 2 - 3.462 × 10 - 14 H M R 3 + 1.031 × 10 - 18 H M R 4 ; ]]>

由磁流變液的B-H特性擬合得到磁感應強度與磁場強度的關系多項式:

H M R = - 0.45816 × 10 3 + 170.78 × 10 3 B M R - 72.02 × 10 3 B M R 2 + 703.9 × 10 3 B M R 3 - 355.24 × 10 3 B M R 4 ; ]]>

步驟二,確定與主動阻尼壓降等性能相關性較大的參數,將其歸類為外部設計參數和待優化內部設計參數,并確定具體值或范圍:

確定無量綱化的外部尺寸設計參數,即阻尼單元的長徑比考慮阻尼單元的實用型,設定其范圍為1.0~2.8,其中L為上導磁圓環6a上表面與下導磁圓環6b下表面之間的距離;

確定無量綱化的外部電磁設計參數φI和流體設計參數φQ,并根據步驟一獲得的參數,計算得到 φ Q = η M R Q R 3 τ y , s a t = 0.00006586 , φ I = R I A ω H M R , s a t = 0.3383 ; ]]>

步驟三:確定待優化內部設計參數(參數含義見圖3),包括上導磁圓盤7a和下導磁圓盤7b的厚度La,閥芯外表面半徑Rc,圓環形液流通道寬度ta,圓盤形液流通道的寬度tr(ta=tr),缸體厚度th;圓筒形液流通道10的半徑RS,繞線套筒1的筒壁厚度tb1,線圈3與缸體11的間隙寬度tb2,并將上述內部帶優化設計參數轉換成無量綱形式,并設定具體值或范圍。

其中,圓環形液流通道的寬度ta與缸體11外表面半徑R之比φta的范圍約為0.02~0.15;圓盤形液流通道的寬度tr與缸體11外表面半徑R之比φtr的范圍約為0.02~0.15;閥芯外表面半徑RC與缸體11外表面半徑R之比的范圍φRc約為0.25~0.7;導磁圓盤厚度La與上導磁圓環6a上表面與下導磁圓環6b下表面之間的距離L之比φLa的范圍約為0.1~0.4;缸體厚度th與缸體11外表面半徑R之比φth的范圍約為0.1~0.4;設定圓筒形液流通道10的半徑Rs與缸體11外表面半徑R之比φRs=0.16,繞線套筒1的筒壁厚度tb1與缸體11外表面半徑R之比φtb1=0.08,線圈3與缸體11的間隙寬度tb2與缸體11外表面半徑R之比φtb2=0.08;

步驟四:建立圓環阻尼間隙中的磁場強度HMR,r、剪切屈服應力τy,r,圓盤阻尼間隙中的磁場強度HMR,a、剪切屈服應力τy,a的狀態計算模型:

將主磁力線回路按導磁介質和磁通面積形狀分段(見圖3),計算各段的磁通面積,磁力線長度,根據磁場定律和回路中各段材料的H-B關系獲得主磁力線回路磁通量Φ0,從而獲得各段磁感應強度并將磁感應強度與該段導磁介質的飽和磁感應強度比較,若第j段的磁感應強度大于導磁材料的飽和磁感應強度Bj,sat,則計算該段的飽和磁通量Φj=Bj,sat·Sj;其中Sj為第j段的磁通面積。以Φj為基準Φ0,結合各段的磁通面積,重新計算各段的磁感應強度直到使各段的磁感應強度Bj滿足Bj≤Bsteel,sat,具體可利用循環程序通過以下步驟實現(如圖4所示):

(1)對輸入的設計參數φth,φta,φRc,φRs,φtb1,φtb2,φLa,賦予初值,并令φta=φtr,φtb1=φtb2=φtb,計算有量綱參數ta,th,Rc,La,RS,tb1,tb2,Nc。

(2)將磁流變阻尼單元中的主磁力線回路分段(如圖3中所示),求出每段的磁通面積Si,以及各段磁力線長度li,根據求出回路磁通量Φ0;

(3)設置循環程序,令j=1;

(4)根據計算第j段的磁感應強度

(5)判斷第j段的磁感應強度是否小于該段導磁介質的飽和磁感應強度(當介質為導磁材料時,則Bj,sat=Bsteel,sat,當介質為磁流變液時,則Bj,sat=BMRF,sat):Bj≤Bj,sat,若是,則進入步驟(6),若否,則選擇第j段的飽和磁通量作為整個磁路的計算基準,令Φ0=Bj,satSj,重復步驟(3)~(5);

(6)判斷j是否小于n,即:j≤n,若是,則令j=j+1,重復步驟(4)~(6);若否則進入步驟(7);

(7)計算圓環形流道的的磁感應強度圓環形流道的磁場強度 H M R , a = b 0 + b 1 B M R , a + b 2 B M R , a 2 + b 3 B M R , a 3 + b 4 B M R , a 4 , ]]>圓環形流道的磁流變液剪切屈服應力 τ y , a = c 0 + c 1 H M R , a + c 2 H M R , a 2 + c 3 H M R , a 3 + c 4 H M R , a 4 , ]]>圓盤形流道的感應強度 B M R , r = Φ 0 S M R , r , ]]>圓盤形流道的磁場強度 H M R , r = b 0 + b 1 B M R , r + b 2 B M R , r 2 + b 3 B M R , r 3 + b 4 B M R , r 4 , ]]>圓盤形流道的磁流變液剪切屈服應力 τ y , r = c 0 + c 1 H M R , r + c 2 H M R , r 2 + c 3 H M R , r 3 + c 4 H M R , r 4 ; ]]>

步驟五,建立性能計算模型,根據無量綱參數φQ、φI、φLR,圓環形阻尼間隙中的磁場強度HMR,a、剪切屈服應力τy,a、圓盤形阻尼間隙中的磁場強度HMR,r、剪切屈服應力τy,r、進一步得到阻尼單元的主動阻尼壓降ΔPAR,τ、被動阻尼壓降ΔPAR,η、動態調節系數λ、感應時間常數Tin、電阻線圈熱功耗E,其中,

ΔP A R , τ = 2 c a φ L a φ L R φ t a t y , a ( H M R , a ) + 2 c r ( φ R c - φ R s ) φ t r t y , r ( H M R , r ) - - - ( 1 a ) ]]>

ΔP A R , η = 12 φ Q φ L a φ L R τ y , s a t πφ t a 3 φ R d [ 1 + φ R d φ L a φ L R l n φ R c φ R s + 2 φ t a 3 φ R d 3 φ L a φ L R ( φ L R - 2 φ L a φ L R - 2 t a ) φ R s 4 ] - - - ( 2 a ) ]]>

T i n = 2 φ R d φ L a φ L R d c B M R , a R 2 ρ ω H M R , s a t 1 φ I - - - ( 3 a ) ]]>

E=nπρωφωcφwhφdcφI2RHMR,sat2(4a)

λ = ΔP A R , τ ΔP A R , η - - - ( 5 a ) ]]>

式中,φωc=1-φRc-φth-φtb1-φtb2,φωh=φLR/n-2φLaφLR-2φtb-2φta,φRd=φRc+0.5φta,φdc=1+φRc-φth+φtb1-φtb2;ca、cr為修正系數,取值均為2;

步驟六:建立優化函數,將狀態計算模型和性能計算模型輸入到優化函數中,以主動阻尼壓降ΔPAR,τ的倒數為目標函數,即Jopt=1/ΔPAR,τ,以步驟一和二中的參數范圍以及不等式(6a)為結構約束條件,以ΔPAR,η≤ΔPAR,ηref、Tin≤Tinref和λ≥λref為性能約束條件;對待優化內部設計變量賦予初值;

φ w c = 1 - φ R c - φ t h - φ t b 1 - φ t b 2 > 0 φ w h = φ L R / n - 2 φ L a φ L R / n - 2 φ t b 1 - φ t a > 0 φ R c - φ R s > 0 ( 6 a ) φ w h - h max φ w c < 0 h m i n φ w c - φ w h < 0 - - - ( 6 a ) ]]>

采用全局優化算法,獲得特定外部設計參數下的內部設計參數的最優值和相應的滿足上述約束條件的最優性能。

步驟七:從φLR的范圍中(包括端點)選取10個點φLR1~φLR10,將其9等分,對φLR1~φLR10中各個值采用步驟六,獲得滿足ΔPAR,η≤ΔPAR,ηref=1MPa、Tin≤Tinref=50ms以及λ≥λref=10性能約束條件和結構約束條件的優化設計參數φRc,φth,φta,φLa的取值和根據公式(1)-(5)計算的最優性能,最終輸出φLR~φth,φLR~φRc,φLR~φta,φLR~φLa4條優化參數曲線,如圖5所示,以及φLR~ΔPAR,τ、φLR~ΔPAR,η、φLR~λ、φLR~E、φLR~Tin5條優化性能曲線,如圖6所示。

步驟八:如下圖5所示,用戶可更根據實際外部需求,并綜合考慮性能指標,在曲線上選出最合適的點,例如,選取φLR=2.0時,得到具體的無量綱參數φRc=0.303、φth=0.14、φta=0.035、φLa=0.122,根據R=0.025m,結合無量綱公式,將無量綱設計參數轉換成有量綱的設計參數,得到τh=0.35cm、τa=0.09cm、τb1=0.20cm、τb2=0.20cm、RS=0.40cm、RC=0.76cm、L=5.00cm、La=0.31;按此優化方法的得到的阻尼單元的性能ΔPAR,τ=1.85MPa,ΔPAR,η=0.30MPa,Tin=32.3ms,滿足用戶需求,完成該阻尼單元的優化設計。

關 鍵 詞:
性能 導向 復合 阻尼 間隙 流變 單元 優化 設計 方法
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