面向直升机座椅的磁流变缓冲器及半主动控制方法研究

发布时间：2020-10-25 23:07

　　 直升机在硬着陆或者发生坠毁时,会产生较大的冲击载荷,对乘员造成伤害。在其座椅系统中安装磁流变缓冲器,可以有效地吸收冲击能量,从而提高乘员在坠毁事件中的存活率。磁流变缓冲器作为智能装置,具有适应不同乘员质量和冲击速度的能力,是目前冲击领域研究的重点方向。本文以缓和冲击为目标,对磁流变缓冲器设计与建模、磁场和流场有限元分析、最优Bingham数控制和恒定阻尼力控制展开了研究,具体内容如下:基于磁流变装置的Bingham-Plastic模型,建立考虑湍流和局部损失的Bingham-Plastic-Minor模型;基于修正后的模型,提出一种适用于冲击环境下磁流变缓冲器的有效设计策略;设计应用于直升机座椅缓冲系统的磁流变缓冲器,包括其结构设计和磁路设计。对磁流变缓冲器进行静态电磁场有限元分析,验证所提出缓冲器原理的正确性,并获得其电磁特性,为计算阻尼力提供基础;通过瞬态电磁场有限元分析,得到电磁线圈的响应时间,为缓冲器的控制提供基础;对磁流变缓冲器进行流体有限元分析,验证阻尼力模型建立的正确性,同时也为缓冲器的控制提供基础。最终对磁流变缓冲器进行评价。以软着陆为控制目标,采用最优Bingham数控制,建立直升机座椅缓冲系统的单自由度模型,分别分析有无响应时间两种情况下的最优控制解决方案;基于磁流变缓冲器的阻尼力模型,分析不同乘员质量(第5百分位女性、第50百分位男性和第90百分位男性)和初始冲击速度(3m/s、4m/s和5m/s)对乘员座椅响应的影响。以恒定阻尼力为控制目标,分别采用BangBang控制策略、PID控制策略和模糊控制策略设计缓冲系统的控制器;进行半主动控制仿真,比较三种控制策略的控制效果和可实现性,发现模糊控制在不同初始冲击速度下都有较好的控制效果而且运算量和时间可以进一步减小,最终得到模糊控制最佳的结果。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V275.1
【部分图文】：

图 1-1 含磁流变缓冲器的直升机座椅系统流变缓冲器是一种以磁流变液作为液压工作流体的能量吸收装置。通件下一般用流动模式[3]，因为与挤压模式和剪切模式相比，该模式能尼力和相对较大冲程的要求[4]。在流动模式中，磁场作用下产生的磁液在垂直于磁通方向上的流动，并且影响环形间隙处的屈服应力，因变磁场强度来连续控制环形间隙处屈服应力。通常改变电磁线圈的变磁场强度，为反馈控制提供基础。因此，利用磁流变效应的快速、化等优点，磁流变液具有适应不同载荷、冲击脉冲以及其他环境因素流变缓冲器的系统称之为半主动系统，许多研究表明，半主动系统结和主动系统的优点，具有相对简单的硬件和软件要求，低能耗，满足用要求。因此，将磁流变缓冲器作为直升机座椅系统的冲击缓冲装置同乘员质量和冲击速度的冲击碰撞中增强对乘员的保护。前国内外研究的磁流变装置主要应用于减振领域，只有少量应用于系统等冲击领域[5]，直升机座椅系统冲击缓冲方面的研究更是少之又

变缓冲器及其应用研究现状缓冲器相较于被动能量吸收装置，具有可重复使用、阻尼连较大等优点。目前，磁流变缓冲器的应用范围较小，远不器反后座系统 磁流变缓冲器主要应用于武器系统领域，例结构示意图如图 1-3 所示。美国 VirginiaTech 大学的艾哈迈炮反冲高速度下有效地工作的磁流变缓冲器，并且易于调系统缓冲器的性能。通过试验表明，随着阻尼力的增大，反线性减小。同样重要的是，磁流变缓冲器的可调节性可用于在发射火炮时常见的大反冲力，同时减小了反冲行程。M[18]设计了一种双可调磁流变缓冲器应用于枪反冲系统，可大的动态力范围，特别是在高速活塞范围内。理论上构造了数值上评估了具有无场和恒定磁场输入的枪反冲系统减震性开关控制算法，以提高磁流变枪反冲系统的减震性能，仿真下与传统的枪式反冲系统相比降低了 30%的扰动。

即剪切屈服阻尼力。2.4.2 磁流变缓冲器结构和磁流变液回路的设计(1) 磁流变缓冲器结构设计 下面基于 BPM 模型设计磁流变缓冲器，初步确定其结构如图 2-4 所示，三维如图 2-5 所示。1.上活塞杆 2.左室 3.液压缸 4.活塞端盖 5.环形间隙 6.线圈 7.O 形圈8.活塞和下活塞杆 9.右室 10.密封盖 11.M6 螺栓 12.M6 螺母 13.缸基座图 2-4 磁流变缓冲器的结构图
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本文编号：2856098