直升機(jī)在硬著陸或者發(fā)生墜毀時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊載荷,對(duì)乘員造成傷害。在其座椅系統(tǒng)中安裝磁流變緩沖器,可以有效地吸收沖擊能量,從而提高乘員在墜毀事件中的存活率。磁流變緩沖器作為智能裝置,具有適應(yīng)不同乘員質(zhì)量和沖擊速度的能力,是目前沖擊領(lǐng)域研究的重點(diǎn)方向。本文以緩和沖擊為目標(biāo),對(duì)磁流變緩沖器設(shè)計(jì)與建模、磁場(chǎng)和流場(chǎng)有限元分析、最優(yōu)Bingham數(shù)控制和恒定阻尼力控制展開(kāi)了研究,具體內(nèi)容如下:基于磁流變裝置的Bingham-Plastic模型,建立考慮湍流和局部損失的Bingham-Plastic-Minor模型;基于修正后的模型,提出一種適用于沖擊環(huán)境下磁流變緩沖器的有效設(shè)計(jì)策略;設(shè)計(jì)應(yīng)用于直升機(jī)座椅緩沖系統(tǒng)的磁流變緩沖器,包括其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì)。對(duì)磁流變緩沖器進(jìn)行靜態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析,驗(yàn)證所提出緩沖器原理的正確性,并獲得其電磁特性,為計(jì)算阻尼力提供基礎(chǔ);通過(guò)瞬態(tài)電磁場(chǎng)有限元分析,得到電磁線(xiàn)圈的響應(yīng)時(shí)間,為緩沖器的控制提供基礎(chǔ);對(duì)磁流變緩沖器進(jìn)行流體有限元分析,驗(yàn)證阻尼力模型建立的正確性,同時(shí)也為緩沖器的控制提供基礎(chǔ)。最終對(duì)磁流變緩沖器進(jìn)行評(píng)價(jià)。以軟著陸為控制目標(biāo),采用最優(yōu)Bingham數(shù)控制,建立直升機(jī)座椅緩沖系統(tǒng)的單自由度模型,分別分析有無(wú)響應(yīng)時(shí)間兩種情況下的最優(yōu)控制解決方案;基于磁流變緩沖器的阻尼力模型,分析不同乘員質(zhì)量(第5百分位女性、第50百分位男性和第90百分位男性)和初始沖擊速度(3m/s、4m/s和5m/s)對(duì)乘員座椅響應(yīng)的影響。以恒定阻尼力為控制目標(biāo),分別采用BangBang控制策略、PID控制策略和模糊控制策略設(shè)計(jì)緩沖系統(tǒng)的控制器;進(jìn)行半主動(dòng)控制仿真,比較三種控制策略的控制效果和可實(shí)現(xiàn)性,發(fā)現(xiàn)模糊控制在不同初始沖擊速度下都有較好的控制效果而且運(yùn)算量和時(shí)間可以進(jìn)一步減小,最終得到模糊控制最佳的結(jié)果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：V275.1
【部分圖文】：

圖 1-1 含磁流變緩沖器的直升機(jī)座椅系統(tǒng)流變緩沖器是一種以磁流變液作為液壓工作流體的能量吸收裝置。通件下一般用流動(dòng)模式[3]，因?yàn)榕c擠壓模式和剪切模式相比，該模式能尼力和相對(duì)較大沖程的要求[4]。在流動(dòng)模式中，磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的磁液在垂直于磁通方向上的流動(dòng)，并且影響環(huán)形間隙處的屈服應(yīng)力，因變磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)連續(xù)控制環(huán)形間隙處屈服應(yīng)力。通常改變電磁線(xiàn)圈的變磁場(chǎng)強(qiáng)度，為反饋控制提供基礎(chǔ)。因此，利用磁流變效應(yīng)的快速、化等優(yōu)點(diǎn)，磁流變液具有適應(yīng)不同載荷、沖擊脈沖以及其他環(huán)境因素流變緩沖器的系統(tǒng)稱(chēng)之為半主動(dòng)系統(tǒng)，許多研究表明，半主動(dòng)系統(tǒng)結(jié)和主動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具有相對(duì)簡(jiǎn)單的硬件和軟件要求，低能耗，滿(mǎn)足用要求。因此，將磁流變緩沖器作為直升機(jī)座椅系統(tǒng)的沖擊緩沖裝置同乘員質(zhì)量和沖擊速度的沖擊碰撞中增強(qiáng)對(duì)乘員的保護(hù)。前國(guó)內(nèi)外研究的磁流變裝置主要應(yīng)用于減振領(lǐng)域，只有少量應(yīng)用于系統(tǒng)等沖擊領(lǐng)域[5]，直升機(jī)座椅系統(tǒng)沖擊緩沖方面的研究更是少之又

變緩沖器及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀緩沖器相較于被動(dòng)能量吸收裝置，具有可重復(fù)使用、阻尼連較大等優(yōu)點(diǎn)。目前，磁流變緩沖器的應(yīng)用范圍較小，遠(yuǎn)不器反后座系統(tǒng) 磁流變緩沖器主要應(yīng)用于武器系統(tǒng)領(lǐng)域，例結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-3 所示。美國(guó) VirginiaTech 大學(xué)的艾哈邁炮反沖高速度下有效地工作的磁流變緩沖器，并且易于調(diào)系統(tǒng)緩沖器的性能。通過(guò)試驗(yàn)表明，隨著阻尼力的增大，反線(xiàn)性減小。同樣重要的是，磁流變緩沖器的可調(diào)節(jié)性可用于在發(fā)射火炮時(shí)常見(jiàn)的大反沖力，同時(shí)減小了反沖行程。M[18]設(shè)計(jì)了一種雙可調(diào)磁流變緩沖器應(yīng)用于槍反沖系統(tǒng)，可大的動(dòng)態(tài)力范圍，特別是在高速活塞范圍內(nèi)。理論上構(gòu)造了數(shù)值上評(píng)估了具有無(wú)場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)輸入的槍反沖系統(tǒng)減震性開(kāi)關(guān)控制算法，以提高磁流變槍反沖系統(tǒng)的減震性能，仿真下與傳統(tǒng)的槍式反沖系統(tǒng)相比降低了 30%的擾動(dòng)。

即剪切屈服阻尼力。2.4.2 磁流變緩沖器結(jié)構(gòu)和磁流變液回路的設(shè)計(jì)(1) 磁流變緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 下面基于 BPM 模型設(shè)計(jì)磁流變緩沖器，初步確定其結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示，三維如圖 2-5 所示。1.上活塞桿 2.左室 3.液壓缸 4.活塞端蓋 5.環(huán)形間隙 6.線(xiàn)圈 7.O 形圈8.活塞和下活塞桿 9.右室 10.密封蓋 11.M6 螺栓 12.M6 螺母 13.缸基座圖 2-4 磁流變緩沖器的結(jié)構(gòu)圖
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