毕业设计（论文）开题报通工程学 院
副教授
从事 专业
专业、班级 车辆工程 是否外聘 □是√否
题目名称
磁流变式汽车减振器的设计
一、 课题研究现状、选题目的和意义 （1）课题研究现状
磁流变阻尼器因其具有结构简单、控制方便、响应速度快、消耗功率小、抗污染能力强和输出 力大、阻尼力连续可调等优点，它利用了磁流变液在磁场作用下能在毫秒级的时间内从牛顿流体转变 成具有一定屈服强度的黏塑性体的智能特性，仅需要很小的能量输入就能产生较大的阻尼力，尤其适 合在土木结构的抗风抗震中应用。在汽车、机械、土木建筑等的振动领域得到了广泛的应用和发展。 现有的磁流变阻尼器的工作模式有阀式、剪切式、挤压式、剪切阀式。磁流变阻尼器已成为汽车半主 动悬架系统中的研究热点。
近几年，对于磁流变阻尼器研究主要关于两个方面，对磁流变阻尼器优化方面的研究和对磁流 变阻尼器控制策略的研究。
对于磁流变阻尼器研究关于优化方面的内容主要集中于结构参数的优化以及磁路优化等方面。 现在就这两方面内容对其进行介绍。
1）磁流变阻尼器结构参数优化 为了提高磁流变阻尼器的可调范围和可控力值，需要对磁流变阻尼器的结构参数进行优化，以 使其阻尼性能达到最佳。在早期的磁流变阻尼器的研究中，主要对单一目标函数进行优化，以得到最 佳的结构关键尺寸，如间隙大小，有效长度及线圈匝数等。 西北工业大学的邓长华等人对双出杆磁流变阻尼器结构参数进行优化，其仅选择可调范围作为 目标函数，利用 MATLAB 优化出线圈匝数、阻尼通道厚度以及阻尼通道长度。 西安交通大学的吴龙等人从磁流变阻尼器设计原理入手，采用 Bingham 轴对称理论模型对小型 单出杆式磁流变阻尼器进行了结构参数的优化研究。其选取推导出的有效长度公式为目标函数，利用 MATLAB 优化工具箱进行优化，确定相关参数值代回原阻尼力及可调范围公式反复比对，已达到最 佳效果。 对于阻尼力或可调范围的这种单目标优化，涉及到的设计参数比较少，在计算过程上仅从磁学 角度考虑结构参数对阻尼力的影响，优化的效果上讲，具有一定的局限性。近几年的结果优化中出现 了一些针对阻尼力和可调范围等从力学和磁学双重角度考虑的多目标优化方法。 比较早的是烟台大学的陈义宝等人采用灰色系统理论的关联度计算方法，对磁流变阻尼器的结 构参数进行优化设计，其选定阻尼力可调范围、粘性阻尼力和可调阻尼力作为优化目标，利用优化软 件库 OPB2 对设计主要参数进行多目标参数优化。 哈尔滨工业大学的关新春等人以阻尼力和可调信数为优化目标，以磁流变阻尼器关键结构参数 为变量，；利用多目标遗传算法，在优化软件 modeFRONTIER 中对磁流变阻尼器进行优化设计和分 析。以及南京理工大学的张莉等人，安徽科技学院的易勇等人运用相应的软件工具和方法，对磁流变 阻尼器进行了相应的多目标优化方面的研究。 2）磁流变阻尼器磁路优化 磁流变阻尼器设计磁路的目的是将磁通量引导并集中到环形间隙中的活性磁流变液区，最大限 度地降低磁芯材料及非工作磁流变液区中的能量损失，保证足够的横截面积降低磁芯材料中的磁阻。 在磁路的设计过程中，所得到的结构参数结果是多样化的，而且每种结果使磁流变减振器发挥的效能
并不一样，所以必须对结构参数进行优化，使磁路系统发挥最佳的功能。目前，多数采用 ANSYS 有 限元软件进行分析，得到优化前后的磁感应强度图，优化后的磁路系统在阻尼环内的磁场强度基本都 垂直于磁流变液流动的方向，有效地减少漏磁，提高了磁场利用率。除此之外，西安石油大学的王治 国等人用正交试验方法对磁流变阻尼磁路进行了优化方面的研究，重庆工学院的富丽娟等人对电控信 号变化的响应快、控制范围大为设计目标用最小二乘法对磁流变阻尼器磁路进行了优化方面的研究等 等。
近年来，国内外学者应用控制理论提供的方法在汽车半主动悬架控制系统的研究反面做了大量 的研究工作。汽车半主动悬架是一个非线性系统，动力学模型参数具有不确定性，考虑到半主动悬架 控制的实时性，提高系统的响应时间是非常关键的，不宜采用过于复杂的算法。目前，在汽车半主动 悬架中应用的悬架主要有以下几种：
1）天棚阻尼控制方法 天棚阻尼控制方法是 1974 年由美国 Karnopp 教授提出的一种半主动悬架基本控制方法。该方法 的原理是在车身上施加一个正比于车身绝对速度的阻尼力，通过合理选择相关参数，可彻底清除系统 共振现象。天棚阻尼控制法简单、易行，但由于粘度特性的限制，理想的天棚控制效果是无法实现的， 且阻尼系数的频繁、小连续切换要求阻尼器具有较宽的频率。 2）自适应控制方法 自适应控制研究始于 80 年代初，由于车辆悬架模型有误差，存在非线性和受控车辆结构参数变 化，许多学者认识到自适应控制的必要性。基于线性时不变控制方法能使系统当参数发生变化时，其 性能趋于理性的系统。它主要用于受控对象及其参数存在严重不确定性的情况。 3）最优控制方法 最优控制是半主动悬架控制中应用比较广泛的一种方法。通过建立半主动悬架系统的状态方程， 考虑不同的性能指标并提出控制目标函数，来分析当汽车受到路面随机激励时，半主动悬架性能指标 的最优控制方案。应用于车辆悬架系统的最优控制可以分为线性最优控制，最优预报控制等等。 4)智能控制方法 智能控制是一个新兴的研究领域，善于解决那些传统方法难解决的复杂系统的控制问题，并具 有较强的容错能力、学习能力、自适应能力和自组织能力，是一类无需人为干预就能独立地驱动智能 机器，实现其目标的自动控制。它研究的对象不是被控对象而是控制器本身。智能控制主要包括模糊 控制、神经网络控制以及遗传算法控制等。 （2）选题目的和意义 汽车在行驶过程中，由于路面的不平坦，导致作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力 起伏波动，通过悬架传递到车身，从而产生振动与冲击。这些振动与冲击传到车架与车身时可能引起 汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒适，货物也可能受损伤，严重影响车 辆的平顺性和操纵稳定性以及车辆零部件的疲劳寿命。为了缓解冲击，在汽车悬架中装有弹性元件， 但弹性系统在冲击时产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳，因此汽车悬架中装有阻尼器。 传统被动悬架不能适应复杂的道路激励和不断变化的行驶工况，因此开发一种能够根据路面情 况和车辆运行状态的变化、实时调节其特性，既能保证汽车的操纵稳定性，又能使汽车的乘坐舒适性 达到最佳状态的智能悬架系统势在必行。今年来，半主动悬架系统，能够大幅度提高车辆的乘坐舒适 性和操纵稳定性，非常适合用于车辆悬架系统的特点，使对它的研究有了较大发展。 磁流变阻尼器作为半主动悬架的执行元件，以磁流变液为介质，通过对输入电流的控制，使其 外加磁场强度发生变化，进而可在毫秒级使磁流变液的磁流性能发生变化，实现流体和半固体之间的 转变，从而能够提供可控阻尼力，因此，对双筒式磁流变阻尼器的设计以及结构优化的理论研究十分 的必要。 分析磁流变减振器的工作模式，结合现有汽车液压筒式减振器的结构和工作特点，对磁流变减 振器进行结构设计，对磁流变减振器的磁路进行设计。