磁流变阻尼器力学性能研究与优化

论文摘要

磁流变阻尼器作为半主动控制的核心装置,对其性能和特性进行试验研究与基础理论分析,在阻尼器结构的设计及优化方面具有重要意义。本文以斜拉索桥拉索减振用磁流变阻尼器为研究对象,在阻尼器三阶段活塞式结构、工作原理及力学模型分析基础上,通过实验室试验和实桥测试分析了磁流变阻尼器的性能和减振效果。实验室试验重点分析了磁流变阻尼器的动力性能和响应性,包括:阻尼力-时程关系、外界条件对阻尼力的影响、阻尼器响应时间等;实桥测试对比了相同外界条件情况下,安装与未安装磁流变阻尼器拉索的振幅及索力变化情况。在磁流变阻尼器力学外特性研究基础上,论文应用ANSYS有限元分析软件对阻尼器内部磁场分布进行仿真。验证了两线圈电流异向比同向时磁场利用率更高;基于此,论文研究了电流异向时阻尼间隙磁通密度和电流的关系,进一步结合磁流变液流变特性和阻尼器力学模型,建立了阻尼力与电流及活塞速度的关系式;试验证明:与加载稳态剪切场时的阻尼力-位移试验数据对比,论文建立的阻尼力与电流、活塞速度关系式可以精确吻合阻尼力随电流和频率变化而变化的规律,可广泛应用于阻尼器的力学性能的预估。磁流变液颗粒与载体液密度不同造成的沉淀,在阻尼器长时间静置过程中难以避免,沉淀问题直接影响了磁流变阻尼器的减振效果,也制约了磁流变阻尼器的工程应用。论文总结了磁流变液沉淀机理以及材料学中提高稳定性的方法。提出了内置永磁体的结构优化方案。设计方案保证了零电流激励时磁流变液在永磁体磁场中仍处于抗沉淀的Bingham体粘塑性状态,可有效降低磁流变阻尼器的沉淀现象。通过复合磁场的有限元分析也表明:改进后的复合磁场使磁流变液达到预期的剪切屈服强度,进一步验证了设计的有效性。阻尼力和可调系数是衡量磁流变阻尼器性能的主要指标。在磁流变阻尼器有限的空间结构下,为实现阻尼力和可调系数达到最优,论文基于遗传算法,以输出阻尼力和可调系数为优化目标,以活塞长度和活塞直径为优化变量,对阻尼器进行多目标性能优化,从而使阻尼器在一定的结构参数约束下实现了动力性能最优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 磁流变阻尼技术
• 1.2.1 磁流变液
• 1.2.2 磁流变阻尼器
• 1.2.3 磁流变阻尼技术应用
• 1.3 本文研究内容
• 2 磁流变阻尼器性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 工作原理
• 2.2.1 器件结构
• 2.2.2 磁流变液本构关系
• 2.2.3 力学模型
• 2.2.4 性能理论
• 2.3 力学性能试验
• 2.3.1 试验设计
• 2.3.2 阻尼力时程
• 2.3.3 变条件下阻尼力
• 2.3.4 等效线性阻尼比
• 2.3.5 响应时间
• 2.4 工程应用
• 2.4.1 工程背景
• 2.4.2 结果分析
• 3 磁流变阻尼器磁场有限元分析
• 3.1 前言
• 3.2 磁场有限元理论
• 3.2.1 有限元法
• 3.2.2 电磁场理论
• 3.3 磁场有限元分析
• 3.3.1 分析步骤
• 3.3.2 结果求解
• 3.3.3 性能预估
• 4 磁流变阻尼器结构优化
• 4.1 前言
• 4.2 沉淀理论
• 4.2.1 沉淀机理
• 4.2.2 改善稳定性方法
• 4.3 沉淀对阻尼器性能影响
• 4.4 结构优化分析
• 4.4.1 优化方案
• 4.4.2 复合磁路
• 4.4.3 复合磁场有限元分析
• 5 磁流变阻尼器参数优化
• 5.1 前言
• 5.2 遗传算法优化理论
• 5.2.1 遗传算法
• 5.2.2 多目标优化
• 5.3 参数优化
• 5.3.1 优化条件
• 5.3.2 优化步骤
• 5.3.3 结果分析
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A ANSYS 有限元分析程序
• 附录B 遗传算法程序
• 在学研究成果
• 致谢