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磁流变阻尼器是利用磁流变液的流变特性制造的一种新型智能减震控制装置,与传统阻尼装置相比,其具有出力大、能耗低、响应快、阻尼力连续可调等优点。磁流变阻尼器在建筑结构、车辆工程、海洋平台、武器装备等领域的实际工程应用,显示出其广阔的发展前景,因此,近年来成为国内外专家学者研究的热点。近几年,众多学者围绕磁流变阻尼器展开了大量的研究,并取得了一定的研究成果。但是,对于单出杆磁流变阻尼器在其设计方法、结构尺寸、体积补偿、抗渗漏等方面还存在许多问题,有待进一步解决完善,以便推广应用。
本文以单出杆磁流变阻尼器为研究对象,结合国内外最新相关研究,开展对单出杆磁流变阻尼器的设计方法、力学特性分析及将之用于精密平台结构智能减振的研究,并对加入单出杆磁流变阻尼器的精密平台结构进行了仿真及优化分析。以下为本文主要研究内容及相应的研究结果:
(1)根据Herschel-Bulkley本构模型及平行平板恒流流动方程,对单出杆磁流变阻尼器在外加磁场作用下的动态阻尼力进行了推导,并得到其简化公式。经过计算分析,该简化模型具有较高的设计精度,可用于单出杆磁流变阻尼器的设计。
(2)设计了一个基于混合工作模式的小型单出杆磁流变阻尼器,并采用多目标函数的方法编制相应的Matlab程序对其结构进行优化分析,最终得到结构优化参数。基于优化结果对该阻尼器的阻尼力进行了仿真计算。
(3)针对精密平台结构的工作环境与减振控制要求,设计了以磁流变阻尼器和粘弹性尼器作为多维减振执行器的智能减振方案,建立了其智能控制模型,并对该模型进行了动力仿真分析。
(4)采用Matlab编制了磁流变阻尼器智能减振结构的激励响应时程分析程序,并采用基于线性二次型最优控制(LQR)的半主动控制策略,对中国工程物理研究所提供的精密平台结构进行了多向激励作用下的响应分析,分析结果充分证明了本文所提减振方案正确性及其减振能力。
(5)基于本文所设计的精密平台结构减振模型,对其进行简化,得到三自由度的平台简化模型。采用中心点激励法与多目标函数优化法,通过等效方差率指标提出目标函数,利用遗传算法进行全局寻优,编制MATLAB程序对该简化模型进行仿真计算,结果表明该方法在高性能以及高冲击环境具有良好的优化效果。
本文的创新点:
1.提出基于Herschel-Bulkley平板模型的单出杆磁流变阻尼器的设计方法,设计出-小型单出杆磁流变阻尼器,并对其结构尺寸进行了优化设计。
2.基于三自由度的精密平台结构简化模型,提出基于等效方差率指标的多目标函数优化方法,并利用遗传算法进行全局寻优。