抗冲击多级独立式磁流变缓冲器关键技术研究

摘要

磁流变抗冲击技术应用于火炮反后坐装置具有重大的研究价值和广泛的应用前景。随着现代战争对火炮系统性能要求的提高，特别是对火炮射击稳定性、快速反应能力和机动性的更高要求，反后坐磁流变装置所受到的冲击强度越来越大，并且不同程度的存在着亟待解决的冲击问题，其关键技术研究日益引起人们的关注和重视。
　　本文利用理论建模分析、数值仿真、实验测试和模型验证相结合的方法，以火炮反后坐冲击缓冲装置为应用背景，开展基于冲击载荷下磁流变缓冲器当前存在的关键技术问题的深入研究，其主要内容概括如下:
　　(1)建立了磁流变火炮反后坐运动微分方程，根据射击高度稳定性要求提出了冲击缓冲目标，同时分析了冲击载荷作用下磁流变缓冲系统典型动态响应，并将其过程归结为四个阶段，由此提出了改进型Bingham-Plastic-Inertia(MBPI)模型，并且考虑了局部压力损失和流体惯性力及磁流变液准静态屈服应力等影响因素。所提出的MBPI模型能较好反映出冲击载荷下磁流变缓冲器动态响应过程的各个阶段，尤其是在外加磁场作用下产生的两个峰值阻尼力现象，然而仍不能完全准确地描述其非线性瞬态特性，这与忽略了磁场、高速流场和温度场形成的多物理场耦合作用有关。
　　(2)针对冲击缓冲目标，提出了多级独立式磁流变缓冲器，建立了多级线圈等效并联电磁回路模型，同时结合有限元法推导了阻尼间隙各有效区域内磁流变液屈服应力与独立加载激励电流间数值关系。另外总结了电磁学、流体动力学和热传导三个物理场所对应的偏微分方程，并结合逆Jiles-Atherton(J-A)磁滞模型提出了一个磁-流-温多物理场模型。相比于MBPI模型，该模型能够形象直观地反映出磁流变缓冲器内交变电流激励下的涡流效应，由于铁芯损耗及共轭传热引起的温度上升现象以及加载激励电流和输出阻尼力的非线性磁滞关系等，进而能够很好地描述在正弦和阶跃激励电流及冲击载荷作用下的磁流变缓冲器多物理场瞬态特性。
　　(3)建立了多级线圈电磁响应模型和含有电流控制器的电磁驱动回路响应模型，测试了冲击载荷下磁流变缓冲器库伦阻尼力的响应时延，同时提出了串联超前校正电路和PID校正控制器两种时延校正方法。造成冲击载荷下磁流变缓冲系统的总时延可归结为两类，1）由电子器件部分如电流控制器等引起的时延;2）由磁性材料磁滞特性及缓冲器机械部分等引起的时延。并且所提出的两种校正方法能够明显改善磁流变缓冲系统响应时延现象。
　　(4)针对多级线圈独立加载激励电流特性，提出了冲击动态试验方案，研究了冲击载荷下多级独立式磁流变缓冲器不同工作模式对峰值阻尼力动态响应特性，包括峰值阻尼力幅值及其出现时刻的影响，同时对提出的磁-流-温多物理场模型和阻尼间隙磁场矢量运算进行了分析验证。该磁-流-温多物理场模型仿真结果与相应实验数据基本相近，阻尼间隙内排列组合式磁场分布对峰值阻尼力动态响应特性有显著影响，通过调节不同组合线圈工作模式，可以有效地提高缓冲效率。同时所提出的开环级联控制方式实现了对时间和轴向二维度同时控制，相比于传统统一加载激励电流，利用该开环级联控制方式可获得较小的峰值阻尼力和较大的峰值出现时刻，从而实现冲击缓冲目标。
　　本文系统深入地研究了冲击载荷下多级独立式磁流变缓冲器的关键技术问题，相关研究成果为高冲击环境下磁流变抗冲击技术的发展提供了有力的理论指导，推动该技术在国民经济尤其是国防领域的应用有重大意义。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 磁流变技术应用研究现状

1．2．1 磁流变液材料

1．2．2 磁流变制动器或离合器

1．2．3 磁流变阻尼器

1．2．4 磁流变抛光技术

1．3 磁流变缓冲器在冲击载荷下的应用发展现状

1．3．1 火炮反后坐装置

1．3．2 直升机起落装置

1．3．3 电梯坠落缓冲装置

1．3．4 军用车辆吸振装置

1．3．5 座椅悬架防撞装置

1．4 磁流变缓冲器在冲击载荷下的关键问题

1．4．1 抗冲击磁流变缓冲器的结构设计

1．4．2 冲击载荷下磁流变缓冲系统的时延特性

1．4．3 冲击载荷下磁流变缓冲器的动力学模型

1．4．4 多物理场下磁流变缓冲器的瞬态特性

1．5 本文研究内容

1．6 本章小结

2 冲击载荷下磁流变缓冲系统动力学分析

2．1 引言

2．2 反后坐磁流变缓冲系统描述

2．2．1 反后坐冲击缓冲目标

2．3 冲击磁流变缓冲系统典型动态响应

2．4 磁流变缓冲器理论建模

2．4．1 磁流变缓冲器工作模式描述

2．4．2 准静态力学模型

2．4．3 动态力学模型

2．5 冲击载荷下MBPI模型验证分析

2．6 本章小结

3 多级独立式磁流变缓冲器磁-流-温多物理场模型

3．1 引言

3．2 多级独立式磁流变缓冲器

3．3 基于有限元法并联磁路建模

3．3．1 多级线圈工作模式

3．3．2 屈服应力与独立加载激励电流关系

3．4 磁-流-温多物理场模型

3．4．1 电磁场

3．4．2 温度场

3．4．3 磁-流-温耦合作用

3．5 磁-流-温多物理场数值仿真

3．5．1 逆J-A磁滞模型测试

3．5．2 磁流变缓冲器多物理场瞬态特性分析

3．6 本章小结

4 冲击载荷下磁流变缓冲器时延测试及其校正方法

4．1 引言

4．2 磁流变缓冲器电磁回路分析

4．2．1 多级线圈电磁响应模型

4．2．2 电磁驱动回路响应模型

4．3 电磁驱动回路时延测试及模型验证

4．4 磁流变缓冲器在冲击载荷下时延测试

4．4．1 冲击时延测试系统

4．4．2 冲击时延测试方案

4．4．3 磁流变缓冲器冲击时延测试结果与分析

4．5 磁流变缓冲器时延校正方法

4．5．1 串联超前校正电路

4．5．2 PID校正控制器

4．6 本章小结

5 多级独立式磁流变缓冲器冲击动态特性试验

5．1 引言

5．2 冲击动态试验测试装置

5．2．1 可编程电流控制器

5．2．2 VXI数据采集系统

5．3 冲击动态试验方案

5．4 冲击动态试验结果与数据分析

5．4．1 磁流变缓冲器磁-流-温多物理场模型验证

5．4．2 多级线圈排列组合式磁场分布验证

5．4．3 多级独立式磁流变缓冲器开环级联控制效果

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录