一种性能导向的磁流变阻尼单元的优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁流变液和液压阻尼单元参数优化设计领域，更具体地涉及一种性能 导向的磁流变阻尼单元的优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 磁流变阻尼单元是一种利用磁流变液效应设计的液压控制单元，是磁流变阀和磁 流变阻尼器中的核心部件，可通过改变励磁线圈中的电流来控制加载于磁流变液中的磁 场，以改变流体的阻尼特性，达到流量和压降控制。同时具有圆环形和圆盘形液流通道的磁 流变阻尼单元，由于其复合阻尼间隙以及导磁圆环的设计，使得磁场对磁流变液的剪切面 积增大，剪切位置适当，磁场利用率大大提高，响应时间大幅度减少，相比其它结构的磁流 变阻尼单元，应用范围广，性能优良，具有很高的实用性。然而，磁流变液阻尼单元的设计参 数对工作性能具有很大的影响，在体积受限和满足用户应用需求的情况下，如何优化设计 参数使得磁流变阻尼单元的性能达到最优，是本行业亟待解决的问题。
[0003] 磁流变阀的优化设计主要以两个方面为准则，一是在较小的结构空间中获得尽可 能优良的工作性能；二是在根据实际应用环境和性能需求选择合适的结构尺寸。然而，磁流 变阻尼单元由于其涵盖机械、电磁、流体三个领域，且其复杂的参数之间具有耦合的影响， 因此提出一种清晰、准确、实用性高的优化设计模型对磁流变阻尼单元的发展意义重大。
[0004] 最初的磁流变阻尼单元结构的优化设计研究主要集中在对机械参数进行近似优 化以期达到某一性能，这种优化方法忽略了磁饱和现象，简化了各类参数之间的复杂关系， 使得优化精确度大幅降低。美国马里兰大学曾对单线圈环形流道的磁流变阀提出了一种体 积限定条件下的结构参数优化设计准则，该方法从磁路建模进行分析并用有限元法获得不 同参数下的磁感应强度，然而磁流变阻尼性能不仅仅取决于磁路，更受到阻尼流道结构的 影响。Nguyen等人建立了 了磁流变阀的动态调节范围，进出口压降等性能指标，对单线圈 流道和双线圈流道分别进行了优化分析，并通过惩罚函数将单目标的约束优化问题转变为 无量纲的非约束优化问题。但是这种方法，没有考虑到磁流变阻尼流道中的磁饱和效应，以 及电磁间可能存在的干扰问题。
【发明内容】
[0005] 本发明专利提供了一种性能导向的磁流变阻尼单元的优化设计方法。该方法综 合考虑机械、电磁、流体三方面因素，建立磁流变阻尼单元性能的分析模型，并通过参数分 层，将繁琐的参数归类为内部设计参数与外部设计参数。进一步通过无量纲化处理，建立起 以主动阻尼压降为目标函数的多约束条件下的优化模型，既可以求解内部设计参数的最优 解，同时分析外部设计参数对性能影响的敏感性。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007] -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，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、圆 周表面设有凹槽的阀芯、线圈、上导磁圆环、下导磁圆环、缸体、活塞杆等；活塞杆、阀芯、绕 线套筒、线圈、缸体由内向外依次同轴安装；上导磁圆环、绕线套筒、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上方外部、下导磁圆环同轴安装在阀芯下方外部，上导 磁圆环与阀芯之间、下导磁圆环与阀芯之间分别形成圆环形液流通道；活塞杆通过与外部 连接装置配合保证活塞杆、阀芯的定位精度；线圈绕在绕线套筒上；缸体的一侧开有引线 孔，线圈的导线从所述引线孔引出；所述绕线套筒采用非导磁材料，上导磁圆环、下导磁圆 环、上导磁圆盘、下导磁圆盘、缸体均采用导磁材料；该方法包括以下步骤：
[0008] 步骤一：获取磁流变液的Hmr- τ y (磁场强度-剪切屈服应力）特性、Bmr-Hmr (磁感 应强度-磁场强度）特性、磁流变液的粘度系数nMRF、磁流变液的饱和磁场强度HMRF， sat、所选 用导磁材料的相对磁导率μ st^、导磁介质的饱和磁感应强度Bst%liSat、真空磁导率μ。，磁 流变阻尼单元的最大工作流量Q及最大激励电流I ;铜丝截面积铜导线的电阻率P ^ 缸体外表面的半径R。用户所要求的性能需求，包括主动压降需求ΔΡΑι?1^、被动压降需求 A PA, nraf、动态调节系数需求λ 、响应时间需求Tinraf;
[0009] 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；
[0010] 确定并计算无量纲化的外部电磁设计参数Φ:和外部流体设计参数Φ Q， 其中，
T yiSat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，C(]、Cl、 c2、c3、C4为磁流变液的的拟合参数（根据供应商提供的τ yMRF-HMRF得到），因此，
[0011] 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R。，圆环形液流通道宽度t a，缸体厚度th;活塞杆半径R s，绕线套筒的筒壁厚 度tbl，线圈与缸体的间隙宽度tb2，阀芯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。
[0012] 其中，圆环形液流通道的宽度ta与缸体外表面半径R之比Φ ta的范围约为0. 02~ 0. 15 ;圆盘形液流通道的宽度仁与缸体外表面半径R之比Φ &的范围约为〇. 02~0. 15 ;阀 芯最小外圆半径Rc与缸体外表面半径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<Ka的范围约为0. 1~0. 4 ; 缸体厚度th与缸体外表面半径R之比Φ th的范围约为0. 1~0. 4 ;活塞杆半径R 5与缸体外 表面半径R之比Ors的范围约为0~0. 4,绕线套筒的筒壁厚度t bl与缸体外表面半径R之 比Φ tbl的范围约为0~0. 15,线圈与缸体的间隙宽度t b2与缸体外表面半径R之比Φ tb2的 范围约为0~0. 15 ;阀芯最大外圆半径与最小外圆半径之差tb3与缸体外表面半径R之比 的范围约为0~0. 15 ;
[0013] 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τ y，a的计算模型，具 体如下：
[0014] 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Φ。，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Isat (当介质为导磁材料时，则 Bjisat= B stf；f；1,sat，当介质为磁流变液时，则Bjisat= B MRF,sat)，则计算该段的饱和磁通量Φ Bpat *S];其中S ,为第j段的磁通面积。以Φ ,为基准Φ。，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满足B B ]iSat，由各段的磁感应 强度即可得到各段的磁场强度，
其中WVb3AS 磁流变液的拟合参数；
[0015] 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
.，圆环形流道的磁流变液剪切屈服应力
SMRia为圆环形阻尼间隙处的磁通面积；
[0016] 步骤五，建立性能计算模型，根据无量纲参数Φρ Φρ (Kr，圆环形阻尼间隙中的 磁场强度HMRia，剪切屈服应力Tyia，进一步得到阻尼单元的主动阻尼压降ΔΡ Α ?、被动阻尼 压降ΔΡΑ η、动态调节系数λ、感应时间常数Tin、电阻线圈热功耗Ε，其中，
2 ；
[0023] 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A ΡΑ ?的倒数为目标函数，即J _= 1/Δ P 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ΔΡΑ,' ΔΡΑ, ^KTinraf和λ》λ 为性能约束条 件；对待优化内部设计变量赋予初值； CN 105160053 A VL 4/12 贝
[0024]
[0025] 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。
[0026] 步骤七：对外部设计参数<KR，从其范围中选取N个点（包括端点），巾：~Φ ?ΚΝ， 使其范围N-I等分，对（Kr1~Φ J中各个值采用步骤六，获得满足ΔΡΑη彡APAnraf、 K Timrf以及λ彡λ」生能约束条件和结构约束条件的优化设计参数φ R。，φΛ，φ?3， <Ka的取值和根据公式（lb)-(5b)计算的最优性能，最终输出Φ m~Φ th，<KR~Φ R。，<KR~ Φυ?~Φ u4条优化参数曲线，以及<KR~APa, τ、(^R~ ΔΡΑ, η、(^R~λ、φ LR~Ε、 Φυ!~T in 5条优化性能曲线。
[0027]