[发明专利]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

1.一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、下导磁圆环、缸体(11)、活塞杆(12)；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、绕线套筒(1)、下导磁圆环由上到下竖直安装，上导磁圆环同轴安装在阀芯(2)上方外部、下导磁圆环同轴安装在阀芯(2)下方外部，上导磁圆环与阀芯(2)之间、下导磁圆环与阀芯(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、下导磁圆环、上导磁圆盘、下导磁圆盘、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：获取磁流变液的磁场强度‐剪切屈服应力特性HMR‑τy、磁感应强度‐磁场强度特性BMR‑HMR、磁流变液的粘度系数ηMR、磁流变液的饱和磁场强度HMR,sat、所选用导磁材料的相对磁导率μsteel、导磁介质的饱和磁感应强度Bsteel,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Aω、铜导线的电阻率ρω；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ΔPA,τref、被动压降需求ΔPA,ηref、动态调节系数需求λref、响应时间需求Tinref；其中，HMR为磁场强度，τy为剪切屈服应力，BMR磁感应强度；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为上导磁圆环上表面与下导磁圆环下表面之间的距离；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由公式得到，c₀、c₁、c₂、c₃、c₄为磁流变液的拟合参数，因此，步骤三：确定待优化内部设计参数，包括上导磁圆盘和下导磁圆盘的厚度La，阀芯最小外圆半径Rc，圆环形液流通道宽度ta，缸体厚度th；活塞杆半径RS，绕线套筒(1)的筒壁厚度tb1，线圈(3)与缸体(11)的间隙宽度tb2，阀芯(2)最大外圆半径与最小外圆半径之差tb3，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ta与缸体(11)外表面半径R之比φta的范围为0.02～0.15；圆盘形液流通道的宽度tr与缸体(11)外表面半径R之比φtr的范围为0.02～0.15；阀芯最小外圆半径RC与缸体(11)外表面半径R之比的范围φRc为0.25～0.7；导磁圆盘厚度La与上导磁圆环上表面与下导磁圆环下表面之间的距离L之比φLa的范围为0.1～0.4；缸体厚度th与缸体(11)外表面半径R之比φth的范围为0.1～0.4；活塞杆半径RS与缸体(11)外表面半径R之比φRS的范围为0～0.4，绕线套筒(1)的筒壁厚度tb1与缸体(11)外表面半径R之比φtb1的范围为0～0.15，线圈(3)与缸体(11)的间隙宽度tb2与缸体(11)外表面半径R之比φtb2的范围为0～0.15；阀芯(2)最大外圆半径与最小外圆半径之差tb3与缸体(11)外表面半径R之比φtb3的范围为0～0.15；步骤四：建立圆环阻尼间隙中的磁场强度HMR,a、剪切屈服应力τy,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，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；由此得到圆环形流道的的磁感应强度圆环形流道的磁场强度圆环形流道的磁流变液剪切屈服应力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φQ、φI、φLR，圆环形阻尼间隙中的磁场强度HMR,a，剪切屈服应力τy,a，进一步得到阻尼单元的主动阻尼压降ΔPA,τ、被动阻尼压降ΔPA,η、动态调节系数λ、感应时间常数Tin、电阻线圈热功耗E，其中，E＝nπρωφωcφwhφdcφI2RHMR,sat2  (4b)式中，φwc＝1‑φRc‑φta‑φth‑φtb1‑φtb2‑φtb3，φwh＝φLR/n‑2φLaφLR/n‑2φtb1，φRd＝φRc+0.5φta+φtb3，φdc＝1+φRc‑φth+φtb1‑φtb2+φtb3+φta；ca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ΔPA,τ的倒数为目标函数，即Jopt＝1/ΔPA,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ΔPA,η≤ΔPA,ηref、Tin≤Tinref和λ≥λref为性能约束条件；对待优化内部设计变量赋予初值；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φLR，从其范围中选取包括端点在内的N个点，φLR1～φLRN，使其范围N‑1等分，对φLR1～φLRN中各个值采用步骤六，获得满足ΔPA,η≤ΔPA,ηref、Tin≤Tinref以及λ≥λref性能约束条件和结构约束条件的优化设计参数φRc，φth，φta，φLa的取值和根据公式(1b)‑(5b)计算的最优性能，最终输出φLR～φth，φLR～φRc，φLR～φta，φLR～φLa4条优化参数曲线，以及φLR～ΔPA,τ、φLR～ΔPA,η、φLR～λ、φLR～E、φLR～Tin 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th、ta、tb1、tb2、tb3、RS、RC、L、La参数，完成阻尼单元优化设计。