新型磁流变阻尼器与六轴半主动隔振系统研究

摘要

各种车辆、舰船和飞行器等载体上安装的精密仪器设备在运行过程中始终受到振动载荷的干扰，这会影响仪器设备的工作性能，甚至造成失效而发生严重事故。实践证明，由振动载荷引起的共振是造成运动载体上仪器设备失效的主要原因。因此，本文以精密仪器设备的多轴隔振问题作为研究重点，提出合适的磁流变阻尼器，设计合理的隔振平台结构，采用适当的半主动控制策略，实现负载质量的六轴隔振，减少振动载荷对仪器设备正常工作的影响。
　　针对现有磁流变阻尼器结构尺寸和重量都较大的缺点，提出了一种新型结构的磁流变阻尼器。此新型阻尼器结构简单，尺寸紧凑，同时有较大的行程。阻尼器零件材料的灵活选择，有利于降低阻尼器的重量。在完成新型阻尼器分析的基础上，研制出的首个新型阻尼器原型完全达到了结构紧凑、重量轻的设计要求。实验测试结果表明，新型阻尼器工作平稳，具有典型的磁流变阻尼器特性，而且与现有磁流变阻尼器相比，具有更大的动态范围。
　　由于新型磁流变阻尼器节流通道内的流场具有独特的速度边界条件，本文以磁流变液的Herschel-Bulkley本构模型为基础，从流体基本方程出发，推导了环形节流通道内的磁流变液流场方程，最终得到了阻尼器结构参数与阻尼力关系的方程组。基于合理假设，研究了平板节流通道内，使用磁流变液Bingham本构模型的流场方程和阻尼力计算方程组。经无量纲化，得到了阻尼力的简化计算公式，并且公式计算结果与测试结果基本符合。针对新型阻尼器动态测试过程中存在的去程和回程阻尼力显著不同的特点，提出了一种改进的非对称双曲正切模型，该模型能够精确描述新型阻尼器的阻尼力-位移和阻尼力-速度曲线。
　　为了满足六轴隔振平台在六个方向上同时隔振，并且隔振特性基本相同的要求，提出了使用新型磁流变阻尼器作为半主动控制元件，以立方结构Stewart平台为基础的六轴隔振平台。建立了包含新型磁流变阻尼器的平台多体动力学模型，研究了平台在固定电流下六个方向的被动隔振特性。仿真结果表明，此六轴半主动隔振平台在两水平轴的平移和转动等四个方向上具有相似的隔振特性，类似两自由度被动隔振系统；在垂直轴的平移和转动等两个方向上的隔振特性则类似于单自由度被动隔振系统。增大磁流变阻尼器的电流，可以更好抑制平台在共振区的幅值放大，但是会造成高频区的隔振效果下降。
　　在对采用磁流变阻尼器的半主动隔振系统特性分析基础上，提出了三种半主动控制策略：等效天棚阻尼控制，等效天棚阻尼模糊控制和加速度反馈模糊控制等，并使用简单隔振系统对控制策略的正确性和有效性进行了验证。六轴隔振平台半主动控制的仿真结果表明，使用新型磁流变阻尼器作为半主动控制元件，采用三种半主动控制策略，可以显著降低传递率曲线在共振区的放大，而且在高频区的隔振效果同样良好，接近零电流时的传递率曲线。
　　以改进后新型磁流变阻尼器为核心，完成了六轴半主动隔振平台的结构设计与研制。设计制作了用于阻尼器功率驱动的六路电源。基于快速控制原型技术，建立了平台半主动实时控制系统，配合垂直和水平方向平台激励与测试系统，完成了隔振性能的测试。沿平台垂直轴和两水平轴平移方向的隔振性能测试结果表明，此半主动隔振平台能够有效抑制共振放大，而且在高频区也有明显的隔振效果。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 磁流变技术国内外研究现状

1.3 六轴隔振系统国内外研究现状

1.4 六轴半主动隔振平台国内外研究现状

1.5 目前研究存在的问题

1.6 本文主要研究内容

第2章 新型双活塞磁流变阻尼器研制

2.1 新型磁流变阻尼器的结构与工作原理

2.2 新型磁流变阻尼器的磁路分析

2.3 新型磁流变阻尼器的结构设计

2.4 新型磁流变阻尼器的实验研究

2.5 本章小结

第3章 新型磁流变阻尼器数学建模

3.1 环形节流通道内的磁流变液

3.2 平板节流通道内的磁流变液

3.3 改进的非对称双曲正切模型

3.4 本章小结

第4章 基于新型磁流变阻尼器的六轴隔振平台动力学仿真

4.1 立方结构Stewart平台

4.2 平台动力学仿真方法

4.3频段有效磁流变阻尼器模型

4.4 六轴隔振平台仿真模型

4.5 固定电流下六轴隔振平台被动隔振特性

4.6 本章小结

第5章 六轴隔振平台半主动隔振仿真研究

5.1 天棚阻尼控制

5.2模糊半主动控制

5.3 半主动隔振系统控制效果验证

5.4 六轴半主动隔振平台的仿真

5.5 本章小结

第6章 六轴半主动隔振系统实验研究

6.1 新型磁流变阻尼器的结构改进与测试

6.2 六轴隔振平台的结构设计

6.3 六轴隔振平台实验系统的原理

6.4六轴半主动隔振系统测试与结果分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它成果

致谢

个人简历