一种性能导向的磁流变阻尼单元的优化设计方法

摘要

本发明涉及一种性能导向的磁流变阻尼单元的优化设计方法，包括以下步骤：获取用户对性能的需求以及所需要的数据，确定外部设计参数和待优化内部设计参数，进行无量纲处理并确定具体值或范围，建立阻尼单元的磁场强度等计算模型，建立阻尼单元的性能模型，对特定的阻尼单元长径比建立并运行优化函数，得到相应的优化参数和优化后的性能，最后在给定的长径比范围内，绘制出相应的优化参数和优化性能敏感度曲线，根据应用环境等在性能敏感度曲线上灵活确定外部设计参数；该方法可应用于线圈外（内）置式环形阻尼间隙中，对磁流变阻尼单元的性能分析提供了精确、可靠、清晰的无量纲化的参数影响曲线，实现对磁流变阻尼单元的优化设计。

主权项

一种性能导向的磁流变阻尼单元的优化设计方法，该方法用于线圈外置式环形阻尼间隙磁流变阻尼单元的优化设计，所述线圈外置式环形阻尼间隙磁流变阻尼单元包括绕线套筒（1）、圆周表面设有凹槽的阀芯（2）、线圈（3）、上导磁圆环（6a）、下导磁圆环（6b）、缸体（11）、活塞杆（12）等；活塞杆（12）、阀芯（2）、绕线套筒（1）、线圈（3）、缸体（11）由内向外依次同轴安装；上导磁圆环（6a）、绕线套筒（1）、下导磁圆环（6b）由上到下竖直安装，上导磁圆环（6a）同轴安装在阀芯（2）上方外部、下导磁圆环（6b）同轴安装在阀芯（2）下方外部，上导磁圆环（6a）与阀芯（2）之间、下导磁圆环（6b）与阀芯（2）之间分别形成圆环形液流通道（8）；活塞杆（12）通过与外部连接装置配合保证活塞杆（12）、阀芯（2）的定位精度；线圈（3）绕在绕线套筒（1）上；缸体（11）的一侧开有引线孔，线圈（3）的导线从所述引线孔引出；所述绕线套筒（1）采用非导磁材料，上导磁圆环（6a）、下导磁圆环（6b）、上导磁圆盘（7a）、下导磁圆盘（7b）、缸体（11）均采用导磁材料；其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：获取磁流变液的H_MR‑τ_y（磁场强度‐剪切屈服应力）特性、B_MR‑H_MR（磁感应强度‐磁场强度）特性、磁流变液的粘度系数η_MRF、磁流变液的饱和磁场强度H_MRF,sat、所选用导磁材料的相对磁导率μ_steel、导磁介质的饱和磁感应强度B_steel,sat、真空磁导率μ₀，磁流变阻尼单元的最大工作流量Q及最大激励电流I；铜丝截面积A_ω、铜导线的电阻率ρ_ω；缸体（11）外表面的半径R。用户所要求的性能需求，包括主动压降需求ΔP_A,τref、被动压降需求ΔP_A,ηref、动态调节系数需求λ_ref、响应时间需求T_inref；步骤二：确定无量纲化的外部尺寸设计参数，包括阻尼单元的长径比考虑阻尼单元的实用型，设定其范围为0.5～3，其中L为上导磁圆环（6a）上表面与下导磁圆环（6b）下表面之间的距离；确定并计算无量纲化的外部电磁设计参数φ_I和外部流体设计参数φ_Q，其中，τ_y,sat为磁流变液的饱和剪切屈服应力，磁流变液的剪切屈服应力可由公式得到，c₀、c₁、c₂、c₃、c₄为磁流变液的的拟合参数（根据供应商提供的τ_yMRF‑H_MRF得到），因此，${\tau }_{y,sat}=c_0+c_1{H}_{MR,sat}+c_2{H}_{MR,sat}^2+c_3{H}_{MR,sat}^3+c_4{H}_{MR,sat}^4;$步骤三：确定待优化内部设计参数，包括上导磁圆盘（7a）和下导磁圆盘（7b）的厚度L_a，阀芯最小外圆半径R_c，圆环形液流通道宽度t_a，缸体厚度t_h；活塞杆半径R_S，绕线套筒（1）的筒壁厚度t_b1，线圈（3）与缸体（11）的间隙宽度t_b2，阀芯（2）最大外圆半径与最小外圆半径之差t_b3，并将上述待优化内部设计参数转换成无量纲形式，并设定具体值或范围。其中，圆环形液流通道的宽度t_a与缸体（11）外表面半径R之比φ_ta的范围约为0.02～0.15；圆盘形液流通道的宽度t_r与缸体（11）外表面半径R之比φ_tr的范围约为0.02～0.15；阀芯最小外圆半径R_C与缸体（11）外表面半径R之比的范围φ_Rc约为0.25～0.7；导磁圆盘厚度L_a与上导磁圆环（6a）上表面与下导磁圆环（6b）下表面之间的距离L之比φ_La的范围约为0.1～0.4；缸体厚度t_h与缸体（11）外表面半径R之比φ_th的范围约为0.1～0.4；活塞杆半径R_S与缸体（11）外表面半径R之比φ_RS的范围约为0～0.4，绕线套筒（1）的筒壁厚度t_b1与缸体（11）外表面半径R之比φ_tb1的范围约为0～0.15，线圈（3）与缸体（11）的间隙宽度t_b2与缸体（11）外表面半径R之比φ_tb2的范围约为0～0.15；阀芯（2）最大外圆半径与最小外圆半径之差t_b3与缸体（11）外表面半径R之比φ_tb3的范围约为0～0.15；步骤四：建立圆环阻尼间隙中的磁场强度H_MR,a、剪切屈服应力τ_y,a的计算模型，具体如下：将主磁力线回路按导磁介质和磁通面积形状分段，计算各段的磁通面积，磁力线长度，根据磁场定律和回路中各段材料的H‑B关系获得主磁力线回路磁通量Φ₀，从而获得各段磁感应强度并将磁感应强度与该段导磁介质的饱和磁感应强度比较，若第j段的磁感应强度大于该段导磁介质的饱和磁感应强度B_j,sat（当介质为导磁材料时，则B_j,sat=B_steel,sat，当介质为磁流变液时，则B_j,sat=B_MRF,sat），则计算该段的饱和磁通量Φ_j=B_j,sat·S_j；其中S_j为第j段的磁通面积。以Φ_j为基准Φ₀，结合各段的磁通面积，重新计算各段的磁感应强度直到使各段的磁感应强度B_j满足B_j≤B_j,sat，由各段的磁感应强度即可得到各段的磁场强度，其中b₀、b₁、b₂、b₃、b₄为磁流变液的拟合参数；由此可得到圆环形流道的的磁感应强度圆环形流道的磁场强度$H_{MR,a}=b_0+b_1{B}_{MR,a}+b_2{B}_{MR,a}^2+b_3{B}_{MR,a}^3+b_4{B}_{MR,a}^4,$圆环形流道的磁流变液剪切屈服应力${\tau }_{y,a}=c_0+c_1{H}_{MR,a}+c_2{H}_{MR,a}^2+c_3{H}_{MR,a}^3+c_4{H}_{MR,a}^4;$S_MR,a为圆环形阻尼间隙处的磁通面积；步骤五，建立性能计算模型，根据无量纲参数φ_Q、φ_I、φ_LR，圆环形阻尼间隙中的磁场强度H_MR,a，剪切屈服应力τ_y,a，进一步得到阻尼单元的主动阻尼压降ΔP_A,τ、被动阻尼压降ΔP_A,η、动态调节系数λ、感应时间常数T_in、电阻线圈热功耗E，其中，${\mathrm{\Delta P}}_{A,\tau }=\frac{2c_a{\phi }_{La}{\phi }_{LR}}{{\phi }_{ta}}{t}_{y,a}\left(H_{MR,a}\right)---\left(1b\right)$${\mathrm{\Delta P}}_{A,\eta }=\frac{12{\phi }_Q{\phi }_{La}{\phi }_{LR}{\tau }_{y,sat}}{{{\mathrm{\pi \phi }}_{ta}}^3{\phi }_{Rd}}[1+\frac{({\phi }_{Rc}+0.5{\phi }_{ta}+{\phi }_{tb3}){{\phi }_{ta}}^3}{({\phi }_{Rc}+0.5{\phi }_{ta}+0.5{\phi }_{tb3}){({\phi }_{ta}+{\phi }_{tb3})}^3}(\frac{1}{2{\phi }_{Ra}}-1)]---\left(2b\right)$$T_{in}=\frac{2{\phi }_{Rd}{\phi }_{La}{\phi }_{LR}}{{\mathrm{n\phi }}_{dc}}\frac{B_{MR,a}{R}^2}{{\rho }_{\omega }{H}_{MR,sat}}\frac{1}{{\phi }_I}---\left(3b\right)$E=nπρ_ωφ_ωcφ_whφ_dcφ_I²RH_MR,sat²         (4b)$\lambda =\frac{{\mathrm{\Delta P}}_{\tau }}{{\mathrm{\Delta P}}_{\eta }}---\left(5b\right)$式中，φ_wc=1‑φ_Rc‑φ_ta‑φ_th‑φ_tb1‑φ_tb2‑φ_tb3，φ_wh=φ_LR/n‑2φ_Laφ_LR/n‑2φ_tb1，φ_Rd=φ_Rc+0.5φ_ta+φ_tb3，φ_dc=1+φ_Rc‑φ_th+φ_tb1‑φ_tb2+φ_tb3+φ_ta；c_a为修正系数，取值为2；步骤六：建立优化函数，将状态计算模型和性能计算模型输入到优化函数中，以主动阻尼压降ΔP_A,τ的倒数为目标函数，即J_opt=1/ΔP_A,τ，以步骤一和二中的参数范围以及不等式(6b)为结构约束条件，以ΔP_A,η≤ΔP_A,ηref、T_in≤T_inref和λ≥λ_ref为性能约束条件；对待优化内部设计变量赋予初值；$\left\{\begin{array}{c}{\phi }_{wc}=1-{\phi }_{Rc}-{\phi }_{ta}-{\phi }_{th}-{\phi }_{tb1}-{\phi }_{tb2}-{\phi }_{tb3}>0\\ {\phi }_{wh}={\phi }_{LR}/n-2{\phi }_{La}{\phi }_{LR}/n-2{\phi }_{tb1}>0\\ {\phi }_{Rc}-{\phi }_{Rs}>0\\ {\phi }_{wh}-h_{max}{\phi }_{wc}<0\\ h_{\min }{\phi }_{wc}-{\phi }_{wh}<0\end{array}\right.---\left(6b\right)$采用全局优化算法，获得特定外部设计参数下的内部设计参数的最优值和相应的满足上述约束条件的最优性能。步骤七：对外部设计参数φ_LR，从其范围中选取N个点（包括端点），φ_LR¹～φ_LR^N，使其范围N‑1等分，对φ_LR¹～φ_LR^N中各个值采用步骤六，获得满足ΔP_A,η≤ΔP_A,ηref、T_in≤T_inref以及λ≥λ_ref性能约束条件和结构约束条件的优化设计参数φ_Rc，φ_th，φ_ta，φ_La的取值和根据公式(1b)‑(5b)计算的最优性能，最终输出φ_LR～φ_th，φ_LR～φ_Rc，φ_LR～φ_ta，φ_LR～φ_La4条优化参数曲线，以及φ_LR～ΔP_A,τ、φ_LR～ΔP_A,η、φ_LR～λ、φ_LR～E、φ_LR～T_in 5条优化性能曲线。若因不满足性能约束条件而无优化曲线，则返回步骤一，改变R的取值，重复步骤一至六，获得优化曲线。步骤八：根据给定的阻尼单元半径R，结合步骤七得到的优化参数曲线，将优化后的无量纲参数转换成有量纲参数，得到τ_h、τ_a、τ_b1、τ_b2、τ_b3、R_S、R_C、L、L_a等参数，完成阻尼单元优化设计。