面向汽车碰撞安全的磁流变胶泥缓冲装置研究

摘要

汽车碰撞事故会造成大量的乘员伤亡以及财产损失，碰撞过程中能量的合理耗散可以降低对驾乘人员的伤害。汽车保险杠系统主要包括防撞盒、横梁、缓冲材料、前纵梁以及外板等部件，其中防撞盒在碰撞过程中起到了极为重要的耗能缓冲作用。大量文献显示目前主要通过对防撞盒的材料、尺寸、形状、制造工艺等方面进行优化的方法在一定程度上提高了汽车保险杠系统的耐撞性，但是在不同工况下的自适应调节能力依然较差。为了提高保险杠系统的自适应能力，国内外学者开展了可调节式缓冲装置研究，其中磁流变缓冲装置凭借其优秀的时间响应特性提供了一种崭新的解决方案。
　　传统的磁流变缓冲装置应用于汽车碰撞缓冲领域仍然存在一些不足：①仅仅依靠控制介质流动节流产生阻尼力，无法保证节流失效后缓冲装置的吸能能力；②采用环形流动模式，其有效阻尼通道太短导致磁场利用率太低；③控制介质为磁流变液，容易发生沉降问题。为此，本文研究了一种波纹压溃与磁流变胶泥径向流动节流共同作用的缓冲装置，可根据不同的冲击载荷在极短的时间内（毫秒量级）调整自身负载行程曲线以达到最优的缓冲效果，解决了传统磁流变缓冲装置单一节流吸能、磁场利用率不高、控制介质易沉降的问题。对缓冲装置的径向流动特性、压降特性、局部损耗因素的影响、冲击特性与设计方法等进行了研究。具体研究工作包括以下几个方面：
　　①研究了磁流变胶泥缓冲装置的总体设计。对控制介质在阻尼通道中的三种不同工作模式进行了介绍，然后根据汽车碰撞吸能特点，选择了流动模式作为磁流变胶泥缓冲装置的工作模式。提出了波纹压溃式径向节流磁流变胶泥缓冲装置总体设计概念图，阐述了缓冲装置的工作原理，并分析了缓冲装置的总缓冲力。
　　②理论研究了多层波纹压溃元件在轴向冲击载荷下的压溃特性。结合压溃元件的冲击压溃变形特征，变形过程划分为弹性阶段、塑性阶段、过渡阶段和密实阶段四个阶段。基于Kellogg模型，从理论上分析了波纹压溃元件在四个阶段的变形抗力，并推导出了变形抗力关于压溃量的表达式。引入了压溃特性的评价指标：比吸能、峰值力、平均载荷、压缩力效率和冲程效率，并对波纹压溃元件的压溃特性作出了评价。为了验证理论分析的有效性，搭建了落锤冲击试验平台，详细分析了各个组成部件的选型要求及其技术指标，介绍了波纹压溃元件的制造方法、尺寸及其冲击试验条件，最终对试验与理论结果展开了分析。
　　③研究了磁流变胶泥缓冲装置的力学模型。面向冲击环境，优化了磁流变胶泥的性能。根据零场剪切稀化的特点建立了磁流变胶泥的本构模型——Herschel-Bulkley（HB）模型，利用所测试的实验数据对模型参数进行了辨识。基于HB模型对缓冲装置流道内的总压降进行了分析，进一步分析了磁流变胶泥在径向流道的流动特性，利用流体力学相关理论建立了磁流变胶泥在径向流道的连续性方程及控制微分方程，并推导了磁流变胶泥的径向速度分布表达式。详细阐述了流道内的局部损耗因素，并基于平均流体速度分析了局部损耗因素对流道压降产生的影响，最终建立了考虑流道内局部损耗的力学模型——HBM模型。
　　④针对具有多级径向流动模式的磁流变胶泥缓冲装置提出了一种有效的设计方法，并进行了实验验证。基于HBM力学模型提出了缓冲装置的总体设计方法，包括流道几何尺寸设计与磁路设计。对于流道几何尺寸设计，根据缓冲装置的具体设计目标，通过逻辑关系逐渐减少未知参数的数量的方法得到最佳几何尺寸。对于磁路设计，首先利用HH-15型振动样品磁强计对控制介质进行了磁化特性测试得到了其B-H曲线，然后使用商业仿真软件ANSYS制定了磁流变阻尼调节器的有限元模型，通过分析挡板、外筒厚度以及线圈匝数对磁路的影响，对阻尼调节器有效工作区域的磁路分布进行了优化。制作了磁流变胶泥缓冲装置样机并进行了落锤冲击试验，试验过程中最大的名义冲击速度为4.2 m/s。在特定的冲击条件下分析了径向流道的流体速度分布、并进一步分析了跌落高度、励磁电流对径向流速的影响；分析了缓冲装置流道内的压降特性，包括跌落高度、励磁电流两种因素对磁流变阻尼调节器内压降、径向流道压力梯度、局部损耗压降的影响。详细分析了流道内局部损耗区域所占总局部损耗压降的比重，发现了提高缓冲装置可控性在局部损耗区域的优化方向。根据试验缓冲力-位移（时间）曲线详细分析了冲击试验结果，并比较了理论与试验缓冲力曲线，通过峰值力、动态范围和最大位移三个表征缓冲装置性能的参数验证了缓冲装置设计方法的有效性。进一步基于伯努利方程定量分析了惯性效应产生的压降与缓冲力，并与HBM模型进行了比较，最终发现惯性效应对缓冲力以及缓冲过程仅产生轻微的影响。
　　⑤提出了缓冲力的解析式简化模型，并对模型参数进行了辨识。对缓冲装置进行了动力学分析，提出了缓冲装置的动力学模型，并建立了模型的运动控制方程。为了验证简化模型的有效性，在Matlab/simulink环境中建立了缓冲装置的冲击试验仿真平台并进行了数值仿真，结果表明简化模型曲线与HBM模型曲线吻合非常好，证明了简化模型对于预测磁流变胶泥缓冲装置的性能是非常有效的。

目录

符号表

1 绪 论

1.1课题背景

1.2汽车缓冲装置研究进展

1.3磁流变材料与磁流变缓冲装置研究现状

1.4目前磁流变缓冲装置在冲击环境中存在的问题

1.5本文的研究意义与主要研究内容

2 磁流变胶泥缓冲装置总体设计

2.1引言

2.2汽车碰撞特点

2.3工作模式选择

2.4磁流变胶泥缓冲装置总体设计概念

2.5磁流变胶泥缓冲装置工作原理

2.6总缓冲力分析

2.7本章小结

3 冲击载荷下波纹压溃元件轴向压溃特性分析

3.1引言

3.2波纹压溃元件的结构与材料特性

3.3波纹压溃元件的轴向压溃力学分析

3.4压溃特性评价指标

3.5落锤冲击试验平台搭建

3.6波纹压溃元件的高速冲击试验

3.7本章小结

4 磁流变胶泥缓冲装置力学模型分析

4.1引言

4.2磁流变胶泥本构模型

4.3基于Herschel-Bulkley（HB）模型的力学模型

4.4基于改进HB模型的力学模型（HBM模型）

4.5本章小结

5 磁流变胶泥缓冲装置设计方法与实验验证

5.1引言

5.2基于HBM模型的磁流变胶泥缓冲装置设计方法

5.3磁流变胶泥缓冲装置设计

5.4磁流变胶泥缓冲装置样机与冲击试验条件

5.5试验结果分析与设计方法验证

5.6惯性效应的影响

5.7本章小结

6 磁流变胶泥缓冲装置动力学分析

6.1引言

6.2简化的缓冲力模型

6.3模型参数辨识

6.4磁流变胶泥缓冲装置动力学模型

6.5简化模型有效性验证

6.6本章小结

7 总结与展望

7.1本文工作总结

7.2论文的主要创新点

7.3论文的不足之处及研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

D. 作者在攻读博士学位期间参加的学术会议

E. 作者在攻读博士学位期间获奖情况