基于机理的磁流变减震器滞回特性魔术公式模型

薛兵　杜永昌　刘源　王岩　危银涛

摘要：为了发展一种新的、简单通用的磁流变减震器模型，以适用于半主动悬架的动力学分析与控制。通过对磁流变减震器进行运动学和流变学分析，将减震器的作用力分为剪切项、黏性项、摩擦项、弹性项和惯性项。对于其中表征磁流变液特性的剪切项，使用魔术公式进行描述，变化魔术公式中的系数可以适应不同使用工况，达到精度和适应性的统一。以魔术公式描述剪切项是该文的特色，因此将所提出的模型称为魔术公式模型。通过参数辨识获得各项参数与施加电流的关系，建立起磁流变减震器滞回特性魔术公式模型。该模型形式简单、参数一致且参数物理意义明确，方便用于半主动悬架系统动力学分析与控制器开发。通过试验数据与仿真结果对比，证明模型有较好的精度和适用性。

关键词：减震器；磁流变液；滞回特性；参数辨识；半主动悬架

引言

本文的目的是发展一种新的、简单通用的磁流变减震器模型，以适用于半主动悬架的动力学分析与控制。磁流变液（Magneto Rheological Fluids，MRF）是一種主要由载液、高导磁低磁滞的磁性颗粒和添加剂等构成的新型可控流体，是当前智能材料研究的一个重要分支。在磁场作用下，磁流变液在毫秒级的时间内可连续、可逆地转变为具有高黏度、低流动性Bingham流体，表观黏度能增加2个数量级以上，具有类似固体的力学性质，表现出Bingham塑性流体行为，有着明显的屈服应力，此效应被称为磁流变效应（MR Effect）。20世纪40年代，瑞士Rabinow最早发明了磁流变液，并开发出磁流变离合器应用装置。Pinkos等于1994年使用了电流变液和磁流变液作为减震器的工作介质，研究了新型半主动悬架系统。磁流变减震器以其优越的阻尼调节作用、可靠性好、耗能小等特点，在振动控制领域，特别在半主动悬架中得到越来越多的应用。磁流变减震器可以以较小的耗能快速调节半主动悬架的阻尼特性，因此可实现汽车平顺性、操纵稳定性和抓地力等性能的最佳平衡。而准确且方便用于控制系统的磁流变减震器模型是实现上述功能的关键。

描述磁流变液的上述特性的磁流变减震器模型可分为两类：唯像模型和物理模型。唯像模型通过实验数据确定模型参数。唯像模型又分为两类：参数模型和非参数模型。参数模型中，各模型参数有一定的物理意义，如弹簧、阻尼和摩擦等。参数模型包括Bone-Wen模型、Bingham模型、Dahl模型、LuGre模型等，参数模型中如Bone-wen模型，广泛用于表征磁流变减震器的滞回特性，但模型参数不是施加电流和激励频率的函数，只在单一工况可以较好地表征磁流变减震器的滞回特性，因此在不同的工况下，需要重新计算模型参数，难以预测多工况下减震器的作用力，且在参数辨识过程中参数的解通常不唯一。非参数模型中，各参数不必有明确的物理意义，如神经网络模型、模糊逻辑模型等。与唯像模型相对应，物理模型通过减震器的几何参数和磁流变液的材料特性确定减震器的阻尼力。物理模型包含解析模型和数值模型。物理模型较为复杂，一般用于减震器几何等参数的设计，难以应用于控制系统。

本文假设磁流变液在特定磁场强度下行程的链状磁偶极子的剪应变正比于磁流变减震器活塞运动速度，在剪应变超过特定值时屈服，并采用魔术公式描述该非线性特征。基于此，提出一种形式简单、模型参数物理意义明确、各电流下参数统一、适用于控制系统的磁流变减震器滞回特性魔术公式模型，并进行了试验对比，验证模型的有效性。