冲击缓冲系统中磁流变阻尼器的迟滞消除机制与方法研究

Magnetorheological (MR) damper is characterized by its desirable properties of fast response time and controllable damping force, which makes it become one of the research directions of a new generation of intelligent shock absorber devices. However, the inherent hysteresis behavior of MR dampers is harmful to its performance, especially in shock absorber system. This drawback seriously limits the application and developing of MR technology in shock protection field. This proposal focuses on theoretical and experimental study on field-dependent hysteresis elimination of MR dampers employed in shock absorber systems. The distribution rules and properties of the magnetic flux density of the MR damper are theoretically investigated and analyzed. Then an embedded measurement mechanism of magnetic flux density is established. A novel MR damper with embedded multipoint hall sensors is investigated. The principles on mechanical and magnetic circuit design of the MR damper and the optimal design methods are proposed. A fractional-order control strategy based on magnetic flux density feedback is proposed according to disclosing the physical significance of the differential and integral operators in the magnetic flux density feedback control system. The effect of the hysteresis elimination method proposed in this proposal is experimentally investigated under impact loadings. We hope the outputs of this proposal can not only provide theoretical and practical instructions for MR technology on shock protection field but also advance the extension of MR technology on the other applications.

磁流变阻尼器具有响应迅速、阻尼可调的显著优点，是新一代智能型冲击缓冲减震器件的发展方向之一。然而，磁流变阻尼器自身固有的迟滞非线性特性，在冲击缓冲系统中变得复杂和突出，严重影响其功能的发挥，从而在根本上制约了磁流变技术在抗冲击领域的发展和应用。本项目针对冲击缓冲系统中磁流变阻尼器的迟滞消除方法进行理论和实验研究。针对冲击缓冲系统中的磁流变阻尼器，通过理论分析研究多物理场耦合条件下的磁感应强度分布规律和特性，建立磁感应强度的嵌入式测量机制；研究一种新型的嵌入多点霍尔传感器件的磁流变阻尼器，提出结构与磁路的匹配设计原理和优化方法；通过揭示分数阶微积分算子在磁感应强度反馈控制系统中的物理意义，提出基于磁感应强度反馈的分数阶控制策略；通过冲击载荷下的实验研究验证迟滞消除方法的有效性。本项目研究不仅对磁流变技术在抗冲击领域的应用提供理论和实践指导，同时对拓展磁流变技术在其他领域的应用起到促进作用。

磁流变阻尼器具有响应迅速，阻尼力连续可调等显著优点，在智能冲击缓冲减振领域具有良好的应用前景。然而，磁流变阻尼器自身固有的迟滞非线性特性在冲击缓冲系统中显得尤为突出，从而在根本上制约了磁流变技术在抗冲击领域的发展和应用。其中，由铁磁材料引起的磁滞特性是磁流变阻尼器迟滞非线性的重要组成部分，但长期以来并未引起足够的重视。本项目针对冲击缓冲系统中磁流变阻尼器的磁滞消除方法开展了理论和实验研究。建立了考虑磁滞特性、涡电流和感应热效应的磁流变阻尼器的物理模型，并进行了多物理场耦合静态分析和瞬态分析研究，从而建立了磁感应强度的嵌入式测量机制。设计并加工制作了嵌入霍尔传感器的磁流变阻尼器，并对其进行了多目标优化设计和磁滞特性测试，形成了一种具有磁滞消除机制的新型磁流变阻尼器理论分析、结构设计和优化方法，以及性能测试方法。开展了基于磁感应强度反馈的磁流变阻尼器控制系统建模和仿真，并研究了相应的控制算法、控制装置和磁滞消除控制实验，从而建立了一种磁流变阻尼器磁滞消除控制方法和实验方法，并研制了一套面向磁流变阻尼器磁滞消除的实时控制器。利用冲击实验平台对具有磁滞消除机制的磁流变阻尼器进行了冲击缓冲性能测试实验，验证了本项目所研究的磁滞消除控制方法的合理性和有效性。本项目的研究不仅对磁流变技术在抗冲击领域的应用提供理论和实践指导，同时对扩展磁流变技术在其他领域的应用起到促进作用。