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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目: 磁流變式汽車減振器設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級: 車輛工程
學(xué) 生 姓 名: 潘鵬山
導(dǎo) 師 姓 名: 安永東
開 題 時(shí) 間: 2011.2.28
指導(dǎo)委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
潘鵬山
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級
車輛工程07-11班
指導(dǎo)教師姓名
安永東
職稱
副教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
磁流變式汽車減振器的設(shè)計(jì)
一、 課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
（1）課題研究現(xiàn)狀
磁流變阻尼器因其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應(yīng)速度快、消耗功率小、抗污染能力強(qiáng)和輸出力大、阻尼力連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，它利用了磁流變液在磁場作用下能在毫秒級的時(shí)間內(nèi)從牛頓流體轉(zhuǎn)變成具有一定屈服強(qiáng)度的黏塑性體的智能特性，僅需要很小的能量輸入就能產(chǎn)生較大的阻尼力，尤其適合在土木結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震中應(yīng)用。在汽車、機(jī)械、土木建筑等的振動領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。現(xiàn)有的磁流變阻尼器的工作模式有閥式、剪切式、擠壓式、剪切閥式。磁流變阻尼器已成為汽車半主動懸架系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。
近幾年，對于磁流變阻尼器研究主要關(guān)于兩個方面，對磁流變阻尼器優(yōu)化方面的研究和對磁流變阻尼器控制策略的研究。
對于磁流變阻尼器研究關(guān)于優(yōu)化方面的內(nèi)容主要集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化以及磁路優(yōu)化等方面?，F(xiàn)在就這兩方面內(nèi)容對其進(jìn)行介紹。
1）磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
為了提高磁流變阻尼器的可調(diào)范圍和可控力值，需要對磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以使其阻尼性能達(dá)到最佳。在早期的磁流變阻尼器的研究中，主要對單一目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到最佳的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸，如間隙大小，有效長度及線圈匝數(shù)等。
西北工業(yè)大學(xué)的鄧長華等人對雙出桿磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其僅選擇可調(diào)范圍作為目標(biāo)函數(shù)，利用MATLAB優(yōu)化出線圈匝數(shù)、阻尼通道厚度以及阻尼通道長度。
西安交通大學(xué)的吳龍等人從磁流變阻尼器設(shè)計(jì)原理入手，采用Bingham軸對稱理論模型對小型單出桿式磁流變阻尼器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化研究。其選取推導(dǎo)出的有效長度公式為目標(biāo)函數(shù)，利用MATLAB優(yōu)化工具箱進(jìn)行優(yōu)化，確定相關(guān)參數(shù)值代回原阻尼力及可調(diào)范圍公式反復(fù)比對，已達(dá)到最佳效果。
對于阻尼力或可調(diào)范圍的這種單目標(biāo)優(yōu)化，涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)比較少，在計(jì)算過程上僅從磁學(xué)角度考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻尼力的影響，優(yōu)化的效果上講，具有一定的局限性。近幾年的結(jié)果優(yōu)化中出現(xiàn)了一些針對阻尼力和可調(diào)范圍等從力學(xué)和磁學(xué)雙重角度考慮的多目標(biāo)優(yōu)化方法。
比較早的是煙臺大學(xué)的陳義寶等人采用灰色系統(tǒng)理論的關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法，對磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其選定阻尼力可調(diào)范圍、粘性阻尼力和可調(diào)阻尼力作為優(yōu)化目標(biāo)，利用優(yōu)化軟件庫OPB2對設(shè)計(jì)主要參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的關(guān)新春等人以阻尼力和可調(diào)信數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以磁流變阻尼器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，；利用多目標(biāo)遺傳算法，在優(yōu)化軟件modeFRONTIER中對磁流變阻尼器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。以及南京理工大學(xué)的張莉等人，安徽科技學(xué)院的易勇等人運(yùn)用相應(yīng)的軟件工具和方法，對磁流變阻尼器進(jìn)行了相應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化方面的研究。
2）磁流變阻尼器磁路優(yōu)化
磁流變阻尼器設(shè)計(jì)磁路的目的是將磁通量引導(dǎo)并集中到環(huán)形間隙中的活性磁流變液區(qū)，最大限度地降低磁芯材料及非工作磁流變液區(qū)中的能量損失，保證足夠的橫截面積降低磁芯材料中的磁阻。在磁路的設(shè)計(jì)過程中，所得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果是多樣化的，而且每種結(jié)果使磁流變減振器發(fā)揮的效能并不一樣，所以必須對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使磁路系統(tǒng)發(fā)揮最佳的功能。目前，多數(shù)采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析，得到優(yōu)化前后的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖，優(yōu)化后的磁路系統(tǒng)在阻尼環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度基本都垂直于磁流變液流動的方向，有效地減少漏磁，提高了磁場利用率。除此之外，西安石油大學(xué)的王治國等人用正交試驗(yàn)方法對磁流變阻尼磁路進(jìn)行了優(yōu)化方面的研究，重慶工學(xué)院的富麗娟等人對電控信號變化的響應(yīng)快、控制范圍大為設(shè)計(jì)目標(biāo)用最小二乘法對磁流變阻尼器磁路進(jìn)行了優(yōu)化方面的研究等等。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用控制理論提供的方法在汽車半主動懸架控制系統(tǒng)的研究反面做了大量的研究工作。汽車半主動懸架是一個非線性系統(tǒng)，動力學(xué)模型參數(shù)具有不確定性，考慮到半主動懸架控制的實(shí)時(shí)性，提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是非常關(guān)鍵的，不宜采用過于復(fù)雜的算法。目前，在汽車半主動懸架中應(yīng)用的懸架主要有以下幾種：
1）天棚阻尼控制方法
天棚阻尼控制方法是1974年由美國Karnopp教授提出的一種半主動懸架基本控制方法。該方法的原理是在車身上施加一個正比于車身絕對速度的阻尼力，通過合理選擇相關(guān)參數(shù)，可徹底清除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。天棚阻尼控制法簡單、易行，但由于粘度特性的限制，理想的天棚控制效果是無法實(shí)現(xiàn)的，且阻尼系數(shù)的頻繁、小連續(xù)切換要求阻尼器具有較寬的頻率。
2）自適應(yīng)控制方法
自適應(yīng)控制研究始于80年代初，由于車輛懸架模型有誤差，存在非線性和受控車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，許多學(xué)者認(rèn)識到自適應(yīng)控制的必要性?；诰€性時(shí)不變控制方法能使系統(tǒng)當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其性能趨于理性的系統(tǒng)。它主要用于受控對象及其參數(shù)存在嚴(yán)重不確定性的情況。
3）最優(yōu)控制方法
最優(yōu)控制是半主動懸架控制中應(yīng)用比較廣泛的一種方法。通過建立半主動懸架系統(tǒng)的狀態(tài)方程，考慮不同的性能指標(biāo)并提出控制目標(biāo)函數(shù)，來分析當(dāng)汽車受到路面隨機(jī)激勵時(shí)，半主動懸架性能指標(biāo)的最優(yōu)控制方案。應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的最優(yōu)控制可以分為線性最優(yōu)控制，最優(yōu)預(yù)報(bào)控制等等。
4)智能控制方法
智能控制是一個新興的研究領(lǐng)域，善于解決那些傳統(tǒng)方法難解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，并具有較強(qiáng)的容錯能力、學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力和自組織能力，是一類無需人為干預(yù)就能獨(dú)立地驅(qū)動智能機(jī)器，實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。它研究的對象不是被控對象而是控制器本身。智能控制主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及遺傳算法控制等。
（2）選題目的和意義
汽車在行駛過程中，由于路面的不平坦，導(dǎo)致作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力起伏波動，通過懸架傳遞到車身，從而產(chǎn)生振動與沖擊。這些振動與沖擊傳到車架與車身時(shí)可能引起汽車機(jī)件的早期損壞，傳給乘員和貨物時(shí)，將使乘員感到極不舒適，貨物也可能受損傷，嚴(yán)重影響車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性以及車輛零部件的疲勞壽命。為了緩解沖擊，在汽車懸架中裝有彈性元件，但彈性系統(tǒng)在沖擊時(shí)產(chǎn)生振動。持續(xù)的振動易使乘員感到不舒適和疲勞，因此汽車懸架中裝有阻尼器。
傳統(tǒng)被動懸架不能適應(yīng)復(fù)雜的道路激勵和不斷變化的行駛工況，因此開發(fā)一種能夠根據(jù)路面情況和車輛運(yùn)行狀態(tài)的變化、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)其特性，既能保證汽車的操縱穩(wěn)定性，又能使汽車的乘坐舒適性達(dá)到最佳狀態(tài)的智能懸架系統(tǒng)勢在必行。今年來，半主動懸架系統(tǒng)，能夠大幅度提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，非常適合用于車輛懸架系統(tǒng)的特點(diǎn)，使對它的研究有了較大發(fā)展。
磁流變阻尼器作為半主動懸架的執(zhí)行元件，以磁流變液為介質(zhì)，通過對輸入電流的控制，使其外加磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而可在毫秒級使磁流變液的磁流性能發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)流體和半固體之間的轉(zhuǎn)變，從而能夠提供可控阻尼力，因此，對雙筒式磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究十分的必要。
分析磁流變減振器的工作模式，結(jié)合現(xiàn)有汽車液壓筒式減振器的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，對磁流變減振器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對磁流變減振器的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
（1）磁流變減振器的磁路設(shè)計(jì)；
（2）減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（3）對減振器的性能進(jìn)行分析，磁流變減振器進(jìn)行性能仿真，分析仿真結(jié)果。
2、擬解決的主要問題
（1）設(shè)計(jì)是在利用簡化模型設(shè)計(jì)出磁路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對減振器進(jìn)行磁飽和分析。
（2）確定減振器幾個主要結(jié)構(gòu)尺寸對磁飽和現(xiàn)象的影響，在此基礎(chǔ)上對磁路結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以避免磁飽和現(xiàn)象過早發(fā)生，提高減振器的阻尼力可調(diào)范圍。
（3）磁流變減振器結(jié)構(gòu)材料的選擇。
（4）磁流變阻尼器的動態(tài)范圍的確定。
（5）阻尼間隙的選取對減振器性能的影響，阻尼通道有效長度的選取對減振器性能的影響。
調(diào)查研究
三、技術(shù)路線（研究方法）
減振器工作要求、主要技術(shù)指標(biāo)的分析
數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、處理
磁流變減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁路設(shè)計(jì)
基于Bingham模型的平板結(jié)構(gòu)模型
工作缸外徑、內(nèi)徑以及活塞桿直徑基本尺寸確定。阻尼間隙、活塞有效長度、線圈匝數(shù)確定
磁流變減振器性能進(jìn)行性能優(yōu)化仿真
一定振幅和頻率正弦激勵下的阻尼力-位移曲線、阻尼力-速度曲線
確定最終設(shè)計(jì)結(jié)果
四、進(jìn)度安排
1、進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，查看相關(guān)資料，對課題的基本內(nèi)容有一定的認(rèn)識了解。完成開題報(bào)告。第1-2周（2月28日—3月11日）
2、初步確定設(shè)計(jì)的總體方案，討論確定方案；對磁流變減振器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和選取。第3-6周（3月14日—4月8日）
3、提交設(shè)計(jì)草稿，進(jìn)行討論，修正。第7周（4月11日—4月15日）
4、詳細(xì)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)非標(biāo)件，繪制減振器裝配圖及零件圖。第8-12周（4月18日—5月20日）
5、提交正式設(shè)計(jì)，教師審核。第13-14周（5月23日—6月3日）
6、按照審核意見進(jìn)行修改。第15周（6月6日—6月10日）
7、整理所有材料，裝訂成冊，準(zhǔn)備答辯。第16周（6月13日—6月17日）
五、參考文獻(xiàn)
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六、備注
指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日