缸体感应式集成相对位移自传感磁流变阻尼器的设计及实验验证

论文摘要

磁流变（Magnetorheological, MR）阻尼器被认为具有广阔的应用前景。要充分发挥采用MR阻尼器构成的半主动悬架系统的特长,实现反馈控制是必不可少的,其前提是能够采用传感器获取应用对象的动态信息。现有的基于MR阻尼器的半主动悬架系统通常采用与MR阻尼器分离的动态传感器实现振动测量,由此引起的明显问题是使系统更复杂,导致需要更大的安装空间、增加重量、提高系统成本。同时,与MR阻尼器分离配置的动态传感器直接暴露于外部工作环境之中,易受到外界环境碰撞、渗水、渗油、电磁干扰等影响,导致系统可靠性降低。所以,简化基于MR阻尼器的半主动悬架系统的结构、降低系统成本、提高系统可靠性是实现MR阻尼器大规模工业化应用急待解决的问题。可以想象,如果将传感器和MR阻尼器进行结构集成和功能复用则可有效降低系统的结构复杂性、提高系统的整体可靠性和降低应用成本。本文在已实现的MR阻尼器相对位移自传感的集成相对位移传感器（ Integrated Relative Displacement Sensor, IRDS）技术的基础上,提出并研究了一种基于该技术的缸体感应式集成相对位移自传感磁流变阻尼器（ Integrated Relative Displacement Self-Sensing MR Damper, IRDSMRD）的原理。在此基础上设计了一种缸体感应式集成相对位移自传感磁流变阻尼器,实现了相对位移传感器与MR阻尼器的结构集成和功能复用。采用本文提出并研究的IRDSMRD构成半主动悬架系统不再需要另外配置传感器及连接线缆,可以简化系统结构、降低系统成本、提高系统可靠性。本文的主要研究工作和成果包括:1.针对MR阻尼器的反馈控制问题并结合线性磁流变阻尼器的集成传感技术,进一步完善了IRDS的相对位移测量的理论模型。2.在已实现的IRDS原理的基础上,提出并研究了IRDS和MR阻尼器在交直流共同励磁情况下的IRDSMRD的工作原理。3.在建立IRDSMRD初步参数模型的基础上,利用Ansoft/Maxwell 2D提供的电磁场有限元建模（Finite Element Model, FEM）和有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）工具分别对本文提出并实现的IRDSMRD的IRDS瞬态磁场和MR阻尼器静磁场进行了有限元建模和初步仿真分析。4.在初步仿真结果的基础上,进一步分析了阻尼器的关键结构参数、集成相对位移传感器的载波信号频率以及交直流共同励磁情况下对IRDSMRD的阻尼性能和传感性能（灵敏度和线性度）的影响,确定了一套性能综合最优的IRDSMRD优化参数模型,并在此基础上对其可控阻尼特性与集成传感特性进行了预估。研究结果表明,通过本文提出的集成相对位移传感器技术能够将相对位移传感功能集成到MR阻尼器上,而且本文设计的IRDSMRD模型具有较大的可控阻尼比和较好的相对位移自传感功能。5.在IRDSMRD原理研究和仿真验证的基础上,设计并试制了IRDSMRD原型,基于MATLAB/SIMULINK/RTW软件、PLS-10振动试验系统和dSPACE快速原型系统搭建了IRDSMRD的快速原型实验测试系统,重点测试了传感励磁载波信号频率、外界振动频率以及交直流共同励磁时对IRDS的影响,并给出了IRDSMRD的示功特性测试数据。实验测试结果验证了IRDSMRD原理模型和仿真验证的正确性。本文的研究工作为简化基于MR阻尼器的半主动悬架系统的结构、降低MR阻尼器的应用成本和提高基于MR阻尼器的半主动悬架系统的可靠性奠定了理论基础。同时,本文中实现的IRDSMRD的原型系统具有明显的工程应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁流变材料与器件的研究与发展
• 1.2.1 MR 材料
• 1.2.2 MR 阻尼器
• 1.3 基于MR 阻尼器的半主动悬架系统
• 1.4 线性磁流变阻尼器的集成传感技术
• 1.5 本课题研究的目的及研究内容
• 1.5.1 本课题研究的目的
• 1.5.2 本课题研究的内容与意义
• 1.6 本章工作小结
• 2 IRDSMRD 的原理研究
• 2.1 引言
• 2.2 集成相对位移传感－叠加高频载波法
• 2.3 磁流变阻尼器的原理与结构
• 2.3.1 磁流变液的Bingham 粘塑性模型
• 2.3.2 MR 阻尼器的工作模式
• 2.3.3 MR 阻尼器的结构
• 2.4 IRDSMRD 的原理
• 2.4.1 IRDSMRD 的工作原理与结构
• 2.4.2 集成相对位移传感器（IRDS）的工作原理
• 2.4.3 IRDSMRD 的可控阻尼原理
• 2.4.4 IRDSMRD 的系统电路原理
• 2.5 基于IRDSMRD 的半主动悬架系统
• 2.6 本章工作小结
• 3 IRDSMRD 的仿真优化与性能估计
• 3.1 引言
• 3.2 电磁场有限元软件Maxwell 2D 及其电磁仿真基础
• 3.2.1 Maxwell 2D 介绍
• 3.2.2 电磁仿真基础
• 3.3 IRDSMRD 的初步参数模型确定
• 3.3.1 器件结构尺寸和磁流变液属性
• 3.3.2 磁路参数
• 3.3.3 IRDSMRD 的初步参数模型
• 3.4 IRDSMRD 的有限元模型和仿真优化
• 3.4.1 IRDSMRD 的二维平面有限元模型和初步仿真分析
• 3.4.2 关键结构尺寸的静态磁场参数化分析
• 3.4.3 载波信号的瞬态磁场分析
• 3.4.4 交直流共同励磁的瞬态磁场分析
• 3.5 IRDSMRD 的性能估计
• 3.5.1 IRDSMRD 的传感性能估计
• 3.5.2 IRDSMRD 的阻尼性能估计
• 3.6 本章工作小结
• 4 IRDSMRD 的原型研制及实验验证
• 4.1 引言
• 4.2 IRDSMRD 实物原型
• 4.3 IRDSMRD 的快速原型实验测试系统
• 4.3.1 实验工具介绍
• 4.3.2 实验系统搭建
• 4.3.3 实验流程安排
• 4.4 IRDSMRD 实验结果及分析
• 4.4.1 实验任务及数据处理方法
• 4.4.2 IRDSMRD 原型一的实验
• 4.4.3 IRDSMRD 原型二的实验
• 4.5 本章工作小结
• 5 全文总结及展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 论文工作的主要创新点及贡献
• 5.3 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：A.作者在攻读学位期间发表的论文目录