性能导向的复合阻尼间隙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复合阻尼间隙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] -种性能导向的复合阻尼间隙磁流变阻尼单元的优化设计方法，所述复合阻尼间 隙磁流变阻尼单元包括绕线套筒、阀芯、线圈、连接销、非导磁垫片、上导磁圆环、下导磁圆 环、上导磁圆盘、下导磁圆盘、缸体等；阀芯、绕线套筒、线圈、缸体由内向外依次同轴安装； 绕线套筒同轴安装在阀芯外部。上导磁圆盘、下导磁圆盘分别通过连接销安装在阀芯的两 端，上导磁圆盘与阀芯之间、下导磁圆盘与阀芯之间均垫有非导磁垫片，形成圆盘形液流通 道；上导磁圆环同轴安装在上导磁圆盘外部、下导磁圆环同轴安装在下导磁圆盘外部，上导 磁圆环与上导磁圆盘之间、下导磁圆环与下导磁圆盘之间分别形成圆环形液流通道。线圈 绕在绕线套筒上；上导磁圆盘末端和下导磁圆盘末端均设置有螺纹；所述阀芯中心设置有 圆筒形液流通道，圆环形液流通道、圆盘形液流通道、圆筒形液流通道依次连通，形成完整 的圆环-圆盘-圆筒形复合阻尼间隙。缸体的一侧开有引线孔，线圈的导线从所述引线孔 引出；缸体内部设置阶梯孔，阶梯孔与上导磁圆环形成台阶配合；所述绕线套筒，连接销、 非导磁垫片采用非导磁材料，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μst%1;所选用导磁材料的饱和磁感应强度B ste<sat、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APar ^、被动压 降需求APAR nraf、动态调节系数需求Araf、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
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；
「00101 确宙#i+笪子量纲化的外部电磁设计参数（J)1和外部流体设计参数Φ Q，其中， τ 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
潯到，(^、(^、(^、(^、(^为磁流变液的的 拟合参数，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 半径R。，圆环形液流通道宽度t a，圆盘形液流通道的宽度tjta= t J，缸体厚度th;圆筒形 液流通道的半径私，绕线套筒的筒壁厚度tbl，线圈与缸体的间隙宽度t b2，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 ; 阀芯厚度Re与缸体外表面半径R之比的范围Φ R。约为〇. 25~0. 7 ;导磁圆盘厚度L a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 ;圆筒形液流通道的半径R 3与 缸体外表面半径R之比ΦΚ3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?2的范围约为O~0. 15 ;
[0013] 步骤四：建立圆环阻尼间隙中的磁场强度HMRia、剪切屈服应力τ y a，圆盘阻尼间隙 中的磁场强度Hmr^剪切屈服应力Ty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材料的饱和磁感应强度Isat (当介质为导磁材料时，则Bpat = Bstra3w,当介质为磁流变液时，则Bjisat= BMRF,sat)，则计算该段的饱和磁通量O j= B jiSat *Sj; 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Β,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13。、131、132、13 3、134为磁流变 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
,,，圆环形流道的磁流变液剪切屈服应力 .圆盘形流道的的磁感应强房 圆盘 ?. 5 形流道的磁场强度
，圆盘形流道的磁流变液剪 切屈服应力
，为圆环形阻尼间隙处的磁通面 积，Smr^为圆盘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Hmr,a，剪切屈服应力T y,a，圆盘形阻尼间隙中的磁场强度Hmr^剪切屈服应力Ty 进一步得到阻尼单元的主动阻尼压降A Par^、被动阻尼压降A Pgn、动态调节系数λ、感 应时间常数Tin、电阻线圈热功耗Ε，其中，
<^。+〇.5巾切，<^=1+伞1?。-巾也+巾访1-七 2;(^、(^为修正系数，取值均为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 PAR，τ的倒数为目标函数，即J _= 1/Δ P ARi τ，以步骤一和二中的参数范围以 及不等式（6a)为结构约束条件，以APar, APar, nraf、K Timef和λ彡λ ref为性能约 束条件；对待优化内部设计变量赋予初值；
[0025] 式中，h_、h_为线圈长宽比的最大值和最小值，由用户根据安装等应用限制确 定；
[0026] 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。
[0027] 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Φ:~Φ J中各个值采用步骤六，获得满足ΔΡΑΚ η< APAR nraf、 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（la)-(5a)计算的最优性能，最终输出Φ m~Φ th，<KR~Φ R。，<KR~ Φν cKr~Φ La4条优化参数曲线，以及Φμ~APar, τ、（J>LR~ APar,