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磁流变阻尼器的自传感与自供能原理及关键技术

作　者: 白先旭
导　师: 王代华
学　校: 重庆大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 磁流变液 磁流变阻尼器 自供能 自传感 半主动振动/冲击控制
分类号: TH703.62
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


磁流变（Magnetorheological, MR）阻尼器具有响应快、阻尼力连续可调、结构简单、耐久性好和低功耗等特点，被认为是极具应用前景的半主动执行器件之一，逐渐被用作车辆悬架、医疗设备、土木建筑、航空航天器以及武器装备等结构的减震耗能器件进行研究或应用，成为保障诸多结构的耐久性、舒适性与安全性的重要途径。然而要充分发挥采用MR阻尼器构成的半主动控制系统的特长，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阻尼器的半主动控制系统通常采用与MR阻尼器“分离”的传感器实现动态传感，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、降低系统可靠性等缺点。此外，基于MR阻尼器的半主动控制系统需要额外配置供电电源，也将很大程度上缩小基于MR阻尼器的半主动控制系统的应用环境。因此，如何简化基于MR阻尼器的半主动控制系统的结构、降低系统成本、提高系统可靠性是实现MR阻尼器的大规模工业化应用亟待解决的问题，开展这方面的研究具有重要的学术意义和工程应用前景。为了解决上述问题，本文在Wang和Wang (2009)提出的集成相对位移自传感MR阻尼器(Integrated relative displacement self-sensing magnetorheological damper,IRDSMRD)的原理的基础上，开发了一种IRDSMRD原型及其电子系统；提出了一种能量自供给的相对位移自传感MR阻尼器(Self-powered self-sensingmagnetorheological damper, SPSSMRD)的原理，开发了一种SPSSMRD原型；建立了基于MTS849和实时仿真实验系统(Type: DS1103, dSPACE GmbH)的实验测试系统对SPSSMRD/IRDSMRD原型进行了实验测试；在此基础上，一方面提出了一种基于“Pareto优化”原理实现对SPSSMRD/IRDSMRD的性能的协调优化的方法，另一方面提出并实现了一种基于SPSSMRD/IRDSMRD的单自由度(Singledegree-of-freedom, SDOF)半主动振动与冲击控制系统。本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下五个方面：1.开发并研究了一种基于Wang和Wang (2009)提出的IRDSMRD原理的IRDSMRD原型及其相应的实现集成相对位移传感与可控阻尼力的电路系统，包括IRDSMRD相对位移调制/解调器、线性可控电流驱动器和传感载波信号与励磁电流的信号叠加电路，建立了基于MTS849减震器测试系统和实时仿真系统的实验系统对IRDSMRD原型及其电子系统进行了实验研究。2.针对IRDSMRD的IRDS及基于IRDSMRD的半主动控制系统的电子系统的能量供给问题，提出并研究了一种SPSSMRD的原理，建立了在考虑电磁扩散情况下的SPSSMRD的能量拾取线圈上的感生电能量、IRDS以及可控阻尼力的数学模型，分析了SPSSMRD的能量获取特性、IRDS性能以及可控阻尼力性能。3.基于SPSSMRD及其电子系统的原理，设计并开发了一种SPSSMRD原型及其电子系统，建立了基于MTS849减震器测试系统和实时仿真系统的实验系统对SPSSMRD原型的性能进行了实验测试，包括能量获取转换性能、IRDS的相对位移传感性能（线性度、灵敏度和迟滞误差）以及可控阻尼力性能（可控阻尼力范围和动态可控阻尼比）。4.针对SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力特性和相对位移传感特性相互影响的特点，为了权衡和优化在缸体体积一定时SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力性能和相对位移传感性能，提出并研究了一种基于“Pareto优化”原理实现针对目标函数为SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力性能和相对位移传感性能优化其关键结构参数的方法。在作用于SPSSMRD/IRDSMRD的励磁线圈上的最大磁动势一定时，获取表征权衡IRDSMRD的可控阻尼力性能与相对位移传感性能之间的关系的Pareto最优曲线（即Pareto前沿）。根据Pareto前沿上的点所对应的SPSSMRD/IRDSMRD的关键结构参数，开发了三种具有不同尺寸组合的SPSSMRD/IRDSMRD原型，并建立了基于MTS849减震器测试系统和实时仿真系统的实验系统对具有优化结构尺寸的SPSSMRD/IRDSMRD进行的实验研究。5.由于SPSSMRD/IRDSMRD的可控阻尼力特性和相对位移传感特性相互影响，为衡量相对位移传感性能对半主动控制系统的影响程度，建立了基于SPSSMRD/IRDSMRD的SDOF半主动振动与冲击控制系统，比较了半主动振动与冲击控制系统在使用SPSSMRD/IRDSMRD集成的相对位移传感器(Integratedrelative displacement sensor, IRDS)和LVDT (Linear variable differential transformer)情况下的控制效果，讨论了SPSSMRD/IRDSMRD在SDOF半主动振动与冲击控制系统中应用的可行性。本文的研究工作为简化基于MR阻尼器的半主动控制系统的结构、降低MR阻尼器的应用成本和提高基于MR阻尼器的半主动控制系统的可靠性奠定了理论基础。同时，本文中实现的SPSSMRD/IRDSMRD原型及半主动控制系统具有明显的工程应用前景。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-39
  1.1 引言  11
  1.2 基于 MR 效应的 MR 液  11-14
  1.3 MR 阻尼器及其应用  14-24
  1.4 MR 阻尼器的集成传感技术及其优化  24-28
    1.4.1 MR 阻尼器的集成传感技术  24-27
    1.4.2 自传感 MR 阻尼器的优化  27-28
  1.5 基于 MR 阻尼器的能量获取技术  28-30
  1.6 MR 阻尼器、动态传感器及能量获取装置的集成技术  30-31
  1.7 基于 MR 阻尼器的半主动控制系统  31-35
    1.7.1 MR 阻尼器的数学模型  31-34
    1.7.2 基于 MR 阻尼器的半主动控制系统的控制策略  34-35
  1.8 本文研究的目的、意义和内容  35-37
    1.8.1 研究的目的  35
    1.8.2 研究的意义  35-36
    1.8.3 主要研究内容  36-37
  1.9 小结  37-39
2 MR 阻尼器的自传感与自供能的原理研究  39-59
  摘要  39
  2.1 引言  39-42
  2.2 MR 阻尼器的相对位移自传感与能量自供给原理  42-47
    2.2.1 IRDSMRD 的原理与结构  42-45
    2.2.2 SPSSMRD 的原理与结构  45-47
  2.3 SPSSMRD/IRDSMRD 的数学模型  47-53
    2.3.1 拾取线圈上的感生电能量  47-51
    2.3.2 IRDS  51-52
    2.3.3 可控阻尼力  52-53
  2.4 数值仿真  53-57
    2.4.1 拾取线圈上的感生电能量  53-55
    2.4.2 可控阻尼力  55-57
  2.5 小结  57-59
3 SPSSMRD/IRDSMRD 及其系统  59-73
  摘要  59
  3.1 引言  59
  3.2 系统原型  59-62
  3.3 SPSSMRD/IRDSMRD 的电子系统  62-70
    3.3.1 IRDS 信号调制/解调器  62-66
    3.3.2 可控电流驱动器  66-68
    3.3.3 信号叠加电路  68-70
  3.4 信号采集与测量单元  70-71
  3.5 小结  71-73
4 SPSSMRD/IRDSMRD 的特性测试  73-115
  摘要  73
  4.1 引言  73
  4.2 SPSSMRD/IRDSMRD 的实验测试系统  73-75
  4.3 能量拾取性能  75-83
    4.3.1. 实例 I  75-79
    4.3.2. 实例 II  79-83
  4.4 IRDS 的性能  83-102
    4.4.1 IRDS 的标定  83-85
    4.4.2 相对位移传感性能  85-102
  4.5 可控阻尼力性能  102-112
  4.6 小结  112-115
5 基于 Pareto 优化原理的 SPSSMRD/IRDSMRD 的性能优化  115-145
  摘要  115
  5.1 引言  115-116
  5.2 基于材料磁特性的 SPSSMRD/IRDSMRD 的数学模型  116-125
    5.2.1 电磁回路  116-120
    5.2.2 IRDS 的线性度  120-121
    5.2.3 可控阻尼力  121-122
    5.2.4 数值仿真  122-125
  5.3 减少磁力线扩散的结构设计  125-131
  5.4 可控阻尼力与 IRDS 的线性度的 Pareto 优化  131-134
    5.4.1 设计变量  131
    5.4.2 约束条件  131
    5.4.3 公式表达  131-132
    5.4.4 Pareto 优化的实现  132
    5.4.5 仿真结果与讨论  132-134
  5.5 实验验证  134-144
    5.5.1 开发的 SPSSMRD/IRDSMRD  134-137
    5.5.2 实验测试系统  137-138
    5.5.3 实验结果与讨论  138-144
  5.6 小结  144-145
6 基于 SPSSMRD/IRDSMRD 的半主动控制系统  145-157
  摘要  145
  6.1 引言  145-147
  6.2 基于 SPSSMRD/IRDSMRD 的半主动振动与冲击控制系统  147-149
    6.2.1 系统的数学模型  147-148
    6.2.2 半主动控制  148-149
    6.2.3 IRDS 线性度的近似方程  149
  6.3 数值仿真  149-156
    6.3.1 振动隔离性能  149-150
    6.3.2 冲击隔离性能  150-156
  6.4 小结  156-157
7 全文总结与展望  157-161
  7.1 本文主要研究工作  157-158
  7.2 本文主要贡献与创新点  158-159
  7.3 后续研究工作与展望  159-161
致谢  161-163
参考文献  163-175
附录  175-199
  A. SPSSMRD/IRDSMRD 的结构材料属性  175-179
  B. 同时具有圆环形和圆盘形液流阻力通道的 MR 阻尼器的原理、建模与测试  179-197
  C. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文  197-198
  D. 作者在攻读博士学位期间申请或获得授权的发明专利  198
  E. 作者在攻读博士学位期间主研的科研项目  198
  F. 作者在攻读博士学位期间的获奖情况  198-199
  G. 作者在攻读博士学位期间的其他相关工作  199
  H. 作者的联系方式  199

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 一般性问题 > 结构 > 部件 > 阻尼器
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