磁流变阻尼器结构参数对汽车悬挂系统减振效果的影响与分析

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Ｆ，（ｔ）：ｆ半＋￡订Ｄ１ｒ，（ｔ）ｓ魄［秽（￡）］（２）
２）不可控阻尼力
…＝（警＋竿）ｍ） （３）
Ｆ，（ｔ）主要与随控制电流，（ｔ）变化的磁流变液剪 切屈服力丁，相关，一般来说可控；Ｆ。（ｔ）主要与活塞的 相对速度秽相关，取决于悬挂系统的状态向量。磁流变 减振器总的阻尼力可写为：
Ｆ（ｔ）＝■（ｆ）＋Ｆ。（ｔ）＝一（ｔ）＋ａＶＸ （４） 其中Ｘ∈Ｒ２８为系统状态列向量，ＶＥＲＨ孤为阻尼器活 塞相对速度ｔ，（ｔ）在状态向量Ｘ中的位置转换向量，系 数ｎ是关于设计参数的函数：
万方数据
图１ 剪切阀式磁流变减振器示意图
式（１）中Ａ。为活塞的有效面积，ｔ，（ｔ）为活塞的相 对速度，Ｄ为缸体内径，Ｌ为活塞的长度，ｈ为活塞与缸 体间隙，｜ｒ，为磁流变液的剪切屈服力，叼为磁流变液的 表观粘度。对上述参数化磁流变阻尼器模型作进一步 研究，可以将总的阻尼力Ｆ（ｔ）分为两部分：
１）可控阻尼力
在半主动控制技术中，控制力向量Ｕ中的每一个
控制力“；（ｉ＝１，…，ｍ）由磁流变减振器阻尼力Ｆ提供，
即有Ｆ＝毗。引入设计参数的函数：Ｋ（Ａ。，ｈ，Ｌ，Ｄ）＝
２币南Ｉ［毋一ａ（Ａｐ，ｈ，Ｌ，Ｄ）Ｖ］ｘ‘ 气 等，旦Ａ ＋Ｌ，ｒｒＤ，考虑到方程（２）、（４）和（７），不难得到：
Ｉ丁，（ｔ）Ｉ
（８）
文献［５］给出了不同磁流变阻尼器中磁流变液的
１参数化的磁流变阻尼器力学模型
本文采用基于Ｂｉｎｇｈａｍ磁流变液的参数化阻尼力 模型，此模型显示了磁流变液随磁场而变化的力学特 性。对于图１所示剪切阀式磁流变阻尼器…。其总的 阻尼力Ｆ可以表示为‘９１：
ｍ，＝（警＋警∽＋
ｆ半＋ＬｑｒＤ）ｒ，，（￡）ｓｉｎｇ［＂（ｔ）］ （１）
基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０６７２０４１） 收稿日期：２００７—１２—２７ 第一作者任艳飞男，硕士生，１９８１年３月生
取磁流变阻尼器结构参数为Ｈ ０Ｉ：Ａ。＝２７１ ｃｍ２，己＝
８．４ ｃｍ，ｈ＝２ ｍｍ，卵＝１．３ Ｐａｓ，Ｄ＝０．１ｍ。计算上述五
个参数对整车系统第一阶固有频率的无量纲化灵敏度 如表１所示，不难看出，活塞与刚体间隙ｈ对系统第一
阶固有频率的影响最为显著；系统第一阶固有频率及 其灵敏度随各个参数百分比变化的对应关系如图３和 图４所示。
间的变化关系，分析了阻尼器结构参数（如通道间隙、长度等）的变化对整个悬挂系统减振效果产生的影响，从而考查磁
流变阻尼器的疲劳磨损与汽车悬挂减振效果的关联程度。
关键词：汽车半主动悬挂系统；磁流变；结构参数；减振效果
中图分类号：０３２
文献标识码：Ａ
在车辆工程的发展进程中，随着人们对舒适性和 安全性等要求的提高及现代科学技术的发展，经过科 学研究及实践而依次出现了三类悬挂系统：被动悬挂、 主动悬挂、半主动悬挂¨Ｊ。半主动悬挂系统采用了自 主调节的主动控制智能装置，而且这种主动控制并不 需要很大的能量∞３；同时半主动控制悬架系统在没有 主动控制时具有被动悬架系统的功能，在控制失效的 情况下保证了悬架系统的可靠性。所以半主动悬架具 有系统结构相对简单，具有出力大、能耗小、响应快、阻 尼力可调和易于控制等优点∞，４ Ｊ，在工程和实际应用中 有着广阔的前景。磁流变阻尼器是一种通过调整磁场 强度来达到调节阻尼目的的智能装置，因此，基于磁流 变液流变效应的磁流变阻尼器正符合了半悬架系统的 要求。目前国外对汽车磁流变阻尼器已进行了很多的 研究工作＂．５ Ｊ，而我国在磁流变阻尼器的应用属于初步 阶段№．７Ｊ，对磁流变参数变化对减振效果的影响研究涉 及较少。本文采用基于Ｂｉｎｇｈａｍ磁流变液的参数化阻 尼力模型，得出了半主动悬挂控制电流与系统的状态 向量及其反馈矩阵之间的关系式，分析了阻尼器结构 参数（如通道间隙、长度等）的变化对整个悬挂系统减 振效果产生的影响，从而为磁流变阻尼器在悬挂系统 中的广泛应用提供了理论基础。
剪切屈服力＂ｒｙ（￡）与输入电流，（￡）之间的关系式：
ｒ，（ｔ）＝ｋｌ—ｋ２ｅ“３“”≥０
（９）
式（９）中ｋ。，ｋ：和ｋ，为拟合系数。由式（８）不难解得：
上式中行向量Ｔ＝ｉ瓦ｌ南（［ｔ毋一）ａ＿（Ａ－ｐ，剁ｈ，Ｌ１号３ 产）
（１０） ，Ｄ）
ＫＩ Ａ。，尼，Ｌ，
Ｊ—’
‘
Ｖ］。由此即得半主动悬挂控制电流随系统的状态向量
［６］程翔云，王蕾．连续悬索桥受横桥向船撞力的分析［Ｊ］． 公路．２００２，３：５７—６０．
［７］刘建成，顾永宁，基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真 ［Ｊ］．工程力学．２００３，２０（５）：１５５一１６２．
［８］Ｊｅｎｓｅｎ Ｊ．Ｓｈｉｐ·ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｅｒａｉｌｍｅｎｔ ｏｎ ａ ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９６，６（２）：１０７—１１２．
（下转第８６页）
８６
振动与冲击
２００８年第２７卷
３．３与不考虑主梁斜拉索模型结果比较
为了考察斜拉索与
主梁对船桥碰撞结果的
影响，建立如图１２所示
的船桥碰撞模型。以承
台的动态响应为例（图
１３），与整桥模型相比
承台动态响应明显增加
很多。因此在进行船桥
碰撞分析时，应考虑主 梁及斜拉索对碰撞响应 的影响。
图１２不考虑主梁与斜拉索 的船桥碰撞模型
万方数据
０２
４
６
８
ｌＯ
１２ １４
１６
１８ ２０
％
（一活塞与缸体间隙，０活塞的长度，＋活塞的有效面积， 口磁流变流的表观粘度，☆缸体内径）
图５ 质心加权加速度均方根值随参数变化关系
７８
振动与冲击
２００８年第２７卷
当磁流变阻尼器结构参数Ａ。、Ｌ、Ｄ、矗和叼变化时， 车辆在随机路面激励下质心加速度均方根值‘１１１的变化 情况如图５所示，从中不难发现，活塞与缸体间隙ｈ和活 塞的有效面积Ａ。对系统的影响最大。在实际应用中，随
Ｘ、阻尼器的结构参数Ａｐ，ｈ等的变化关系。
２磁流变阻尼器结构参数变化对系统减振效 果的影响分析
图２所示为一整车模型，车身简化为一刚体，具有 上下垂直位移乃，左右倾斜角度０和前后俯仰角度咖 三个自由度，四个轮子分别简化为只包含一个质量位
移ｚ。ｉ和轮下弹簧ｋ。，由此得到状态向量：ｘ＝［％，三。，０， 台，咖，￥，ｚ。ｌ，三。１，Ｚｕｓ２，ｚｍ２，彳∞，三。３，：甜，主Ｉ｜｜４］ＴＯ采用文 献［１０］中所选小型客车半主动悬架系统的参数：
第２７卷第９期
振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
磁流变阻尼器结构参数对汽车悬挂系统减振效果的影响与分析
任艳飞，陈力奋
（复旦大学力学与工程科学系，上海２００４３３）
摘 要：采用Ｂｉｎｇｈａｍ磁流变模型，得出了半主动悬挂控制电流与系统的状态向量、阻尼器的结构参数等因素之
“ｈ＾Ｄ）－警＋警（５）
已知系统的状态方程为：
宕＝ＡＸ＋ＢＵ＋日Ｗ
（６）
其中Ｕ∈Ｒ“为控制力向量；Ｗ为外界激励向量。
采用ＬＱＲ优化算法可以得到优化控制力向量￡， 与状态向量Ｘ的关系：
第９期
任艳飞等：磁流变阻尼器结构参数对汽车悬挂系统减振效果的影响与分析
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Ｕ＝ＧＸ
（７）
其中Ｇ＝一Ｒ一１８７Ｐ＝｛ｇ。 ９２ …ｇ。）’∈Ｒ”。２８为状 态反馈增益矩阵，Ｐ由Ｒｉｃｃａｔｉ方程求得。
２）在进行船桥碰撞数值模拟计算时，如不考虑主 梁斜拉索的影响，桥梁的动态响应结果将偏大，因此计 算时，应采用整桥的船桥碰撞模型。
３）采用基于接触均衡的并行计算方法，能提高并 行计算效率，节省计算时间。
参考文献 ［１］刘建成，顾永宁．船－桥碰撞力学问题研究现状及非线性
有限元仿真［Ｊ］．船舶工程，２００２，５：４—９． ［２］Ｐｒｏｓｋｅ Ｄ，Ｃｕｒｂａｃｈ Ｍ．Ｒｉｓｋ ｔｏ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｂｒｉｄｇｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｓｈｉｐ
着阻尼器的磨损，参数ｈ和活塞的有效面积Ａ，的变化也 最明显，所以下面主要分析了参数ｈ和Ａ。的变化对系统 减振效果的影响。图６，７，８给出了随机激励下参数ｈ和 Ａ。变化５％时系统响应、功率谱和传递率的对比情况。
ＣＧ俯仰角加速度
巳毒、越螋景
ｔ／ｓ ｃＧ侧偏角加速度
ｔ｜ｓ
轮心垂直加速度
一‰／ｐ罡一划瑙最娅
厂、 八：糕！ｉｉ拉棠横型
皇 ｇ
楼 趔
Ｕ．０
０．５
１．Ｕ
１．５
２．０
２．５
ｔ旭
隔１３两种模型承台位移曲线对比 ３．４并行结果分析
整船整桥模型碰撞仿真的难点之一是仿真计算时 间过长，解决这一难题最好的办法就是利用并行计算 技术来大大缩短计算时间。在并行计算时，考虑接触 均衡的并行计算方法。将进一步减少计算时间，提高并 行效率。设计两种并行计算方案：方案１为未考虑接 触均衡的并行计算；方案２为考虑了接触均衡的并行 计算。不同数目ＣＰＵ下两种方案的并行计算结果对比 如表４所示。从表４中能够看出，基于接触均衡的并 行计算方法，能提高并行计算效率，节省计算时间。