1、基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的应用技术研究基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的应用技术研究Research on the application technology of automobile active vibration control suspension system based on magnetorheological intelligent spring 湘潭大学土木工程与力学学院 游世辉(按国家自然科学基金项目申请书编写）摘 要磁流变材料主要包括磁流变液、磁流变泡沫和磁流变弹性体等，基于磁流变技术，可以开发出磁流变阻尼器和磁流变智能弹簧等器件。一般的主动振
2、动控制系统应可以实时调控刚度、阻尼和高度（位移或车辆动态姿态），而目前的汽车减振悬架系统的研究主要集中在基于调整阻尼的磁流变阻尼器的半主动悬架系统。为此，本项目希望发展一种基于磁流变技术、集成智能弹簧和阻尼器、可实时调控刚度、阻尼和高度的汽车主动减振悬架系统。本项目主要研究：1）磁流变智能弹簧的多学科设计与优化，基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的集成设计。2）基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学模型及动态性能匹配设计。3）基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的移频控制理论，以及集成磁流变智能弹簧与磁流变阻尼器的汽车主动减振悬架系统的混合移频控制和调控阻尼的主动控制策略。
3、4）磁流变智能弹簧和汽车主动减振悬架系统的实验和应用技术。 AbstractMagnetorheological materials mainly include magnetorheological fluids, magnetorheological foams and magnetorheological elastomers, based on magnetorheological technology, and the device such as the magnetorheological damper and the magnetorheological intelligent
4、 spring can be developed. The general active vibration control system should control real-time stiffness, damping and height (displacement), but the suspension system of automobile are mainly concentrated in the semi-active suspension system adjusting damping based on magnetorheological damper. Ther
5、efore, we hope to develop an active vibration control suspension system of adjusting stiffness, damping and the height of the automobile integrated magnetorheological intelligent spring and damper. The project mainly studies：1) multidisciplinary design and optimization of the magnetorheological inte
6、lligent spring, and the integrated design of active suspension system of automobile based on magnetorheological intelligent spring. 2) the dynamic model and the matching design of the dynamic performance of active suspension system of automobile based on magnetorheological intelligent spring. 3)the
7、frequency shift control theory of active vibration control suspension system of automobile based on magnetorheological intelligent spring, and active control strategy for hybrid frequency control and damping regulation of active suspension system of integrated magnetorheological intelligent spring a
8、nd damper of automobile. 4)the experiments and application techniques of the active suspension system of automobile and the magnetorheological intelligent spring.报告正文（一）立项依据与研究内容（不超过10000字）1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析,需结合科学研究发展趋势来论述科学意义; 或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）自1948年美国国家标准署工程
9、师Jacob Rabinow发现了磁流变效应以来，磁流变(Magnetorheological，MR)技术就引起了人们的广泛关注，一直到20世纪80年代初，由于材料科学的快速发展，特别是工程领域对机电一体化的迫切要求大大增加了对新型功能材料的需求，这再次引起了磁流变技术的研究热潮。磁流变材料主要包括磁流变液(MR Fluids)、磁流变泡沫(MR Foams)和磁流变弹性体(MR elastomers)等。磁流变材料由于具有在外部磁场作用下流变性能急剧变化的机电耦合特性和其它相关的高技术特征，且其响应速度快、可逆性好，以及可以通过调节磁场大小来控制材料的力学、电学、磁学等性能连续变化的特点，近
10、年来磁流变材料在航空航天、车辆、机械、建筑和振动控制等领域显现出广泛的应用前景。目前，磁流变液和相关器件已经在机械工程、航空航天、精密加工、汽车工业、建筑工程等领域得到了广泛的应用。磁流变弹性体是一类由柔软弹性基体嵌入磁性敏感颗粒制成的磁弹性智能材料，兼有磁流变材料和弹性体的优点，如响应快、可逆性好、可控能力强等。这种复合材料能承受大应变和表现出磁弹性效应，如磁致应力、变形和有效模量的变化1 2。磁流变弹性体材料具有许多潜在的应用，如变刚度轴衬、可调吸振器和阻尼器、减噪系统、隔振器、冲击缓冲器、磁流变弹性体夹层梁、梁式吸振器和传感器 1 2和磁流变（弹性体）橡胶空气弹簧3 等。为了提高磁流变弹
11、性体的力学性能，游仕平和申请人等（2010, 2012）使用天然橡胶和合成橡胶混合的并用橡胶，并在基体中加入短纤维和尼龙帘线来使材料达到可实用化的机械性能4 5。将普通的橡胶空气弹簧的主体外囊橡胶材料改造成短纤维和尼龙帘线增强型磁流变橡胶材料，并在适当的位置配置可变化的外加磁场，可以制成磁流变（弹性体）橡胶空气弹簧（申请人等，2008) 6。磁流变橡胶空气弹簧是一种在磁场变化条件下可以实时控制和改变高度和刚度的弹簧。在外加磁场和控制系统失效时，可保持一般普通橡胶空气弹簧的正常工作。将普通的橡胶空气弹簧与磁流变液相结合，并在适当的位置配置可变化的外加磁场，可以制造出磁流变液压橡胶弹簧（申请人等，
12、2010) 7。磁流变液压橡胶弹簧可以通过改变磁流变液压按其机械响应时间在较大范围内调整其刚度和高度，其在较大范围内调整的刚度和高度与普通液压橡胶弹簧类似。同时，磁流变液压橡胶弹簧还可以通过改变电磁体与线圈产生的电磁场强度在一定范围内对其刚度和高度进行实时地调整。在外加磁场和控制系统失效时，可保持一般普通液压橡胶弹簧的正常工作。将普通的橡胶空气弹簧与磁流变液压橡胶弹簧相结合，并在适当的位置配置可变化的外加磁场，可以制造出磁流变液压橡胶空气弹簧（申请人等，2010) 8。磁流变液压橡胶空气弹簧通过改变气压和磁流变液压按其机械响应时间在较大范围内可以调整其刚度和高度，其在较大范围内调整的刚度和高度
13、与普通橡胶空气弹簧和磁流变液压橡胶弹簧相类似。磁流变液压橡胶空气弹簧还可以通过改变电磁体与线圈产生的电磁场强度对其刚度和高度进行实时地调整。在外加磁场和控制系统失效时，可保持一般普通液压橡胶空气弹簧的正常工作。磁流变橡胶空气弹簧、磁流变液压橡胶弹簧和磁流变液压橡胶空气弹簧等基于磁流变技术的智能弹簧可以广泛应用于航空、航天、汽车、火车、舰船、机械和土木工程等领域。一般的主动振动控制系统（如车辆动态姿态的控制系统）需要具有实时刚度和高度控制特性的（空气）弹簧来实现，而磁流变体阻尼器在磁场变化条件下可以实时控制和改变阻尼；从而可以将两者集成为一种实时可控刚度、阻尼和高度的智能型主动振动控制系统。在国
14、家政策支持方面，“低能耗与新能源汽车”、“智能材料与结构技术”均已经被列入了国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006年-2020年）。国家“十二五”科学和技术发展规划包括“新能源汽车”，“现代交通技术”和“高端装备制造”。国家自然科学基金“十二五”发展规划中，“复杂机电系统的功能原理与集成科学” 被列为重点领域。2012年国家自然科学基金委和中国科学院联合出版的“未来10年中国学科发展战略”包括下列相关的支持方向：“随机系统动力学与控制”、“动力学系统的演化模式、设计方法与控制理论”、“多场耦合理论与智能材料及结构力学”、“振动与噪声控制与利用”和“面向机-电-液-声-光-磁-信息等多学科交
15、叉、多场耦合分析与设计的方法研究”9。在国民经济发展需求和学科发展趋势的驱使下，我们提出本项研究课题，探讨基于磁流变技术的智能弹簧在汽车主动减振悬架系统中的应用技术以及相关的实验技术，可以为汽车减振降噪提供理论基础。下面，我们综合分析国内外基于磁流变技术的汽车主动和半主动悬架系统的应用技术的研究现状及发展动态10。美国Lord公司是世界上最大的磁流变液供应商，也是磁流变技术商业开发的先驱，其工程技术人员开发了一种汽车磁流变半主动座椅悬架系统-Motion Master，并申请了专利。美国马里兰大学航空工程系在磁流变阻尼器的设计理论方面一直处于领先地位，代表世界先进水平，他们也开发了充气补偿结构
16、的汽车磁流变阻尼器。世界最大的汽车零部件制造和系统集成商-美国德尔夫(Delphi)公司与Lord公司合作开发了汽车磁流变半主动悬架系统MagneRide，并获得了1999年度世界百大科技成果奖。在2005年底特律北美国际汽车展上又向公众展示了应用于通用公司轿车上的磁流变减振器。美国维吉尼亚工学院车辆动力学高级实验室(AVDL)利用Lord公司提供的磁流变阻尼器设计了半主动控制系统，并在Volvo VN重型卡车和Future car轿车的悬架上进行了道路试验。内华达大学机械工程系复合智能材料实验室的研究人员和CSA工程公司的工程技术人员开发了军用高机动多用途轮式车(HMMWV)磁流变阻尼器。2
17、005年通用公司发布的凯迪拉克SRC系列，其悬架采用了通用汽车研发实验室为同级别车辆开发出的MRC主动电磁感应悬架系统。它利用电极来改变减震筒内磁性粒子液体的排列形状，控制传感器测得电脑可在1秒内连续反应1 000次，动作反应要比传统通过液压或者气压阀门的设计更为快速，堪称全球动作最快、最先进的阻尼控制悬架系统。奥迪公司最新TT跑车采用美国德尔福公司开发的MagneRide半主动悬架。这种全新的悬架使奥迪TT瞬变操控性能与抓地性能更优越，驾驶更加舒适。2006年北京国际车展中发布的法拉利559 GTB Fiorano中，采用了与Delphi共同开发的SCM磁流变液悬架系统，保证了更好的减振效果
18、和车身控制 。 2009年德尔福公司研发出了一款可调刚度磁流变液悬架系统11。该系统将磁流变液密封在悬架系统橡胶主体的空腔中, 并于2010年应用在了保时捷公司的车辆上。综上所述，基于调整阻尼和包括应用磁流变阻尼器的汽车半主动减振悬架系统的研究已经趋于成熟。而在汽车的主动振动控制中，运用主动减振悬架系统的研究较少。从上面的分析可以发现，基于磁流变技术的智能弹簧在汽车主动减振悬架系统中的应用技术以及相关的实验技术的研究刚刚起步，因此，开展这方面的研究具有重要的理论和应用价值。参考文献1卢秀首, 乔秀颖, 杨涛等. 磁流变弹性体的制备与应用研究进展. 磁性材料及器件, 2011, 42(6): 1
19、-6.2王宇飞, 何琳. 磁流变弹性体的研究现状及工程应用. 材料科学与工程学报, 2010,(4): 633-636.3丁志华, 游世辉. 磁流变弹性体橡胶空气弹簧的结构设计. 机械设计与制造. 2008, (10): 17-18. 4游仕平,钟喜春,游世辉等. NR/SBR并用橡胶基磁敏橡胶的制备及性能的研究. 弹性体. 2010, 20(1): 1-4.5游仕平, 游世辉, 曾德长. 尼龙帘线增强NR/SBR并用胶基磁敏橡胶的磁流变效应及其力学性能. 机械强度. 2012, 34(3): 333-337.6游世辉等. 磁流变弹性体橡胶空气弹簧. 中国. ZL200620103324.9.
20、 2006.04.30.7游世辉等. 一种磁流变液压橡胶弹簧. 中国. ZL201010508586.4. 2010.10.15.8游世辉等. 一种磁流变液压橡胶空气弹簧.中国. ZL 201010521330.7. 2010.10.27.9国家自然科学基金委，中国科学院. 未来10年中国学科发展战略. 北京: 科学出版社. 2012.10于学华，彭来森. 汽车磁流变悬架技术进展.新技术新工艺.2009. 11王芳. 德尔福推出新型磁流变液动力总成悬置系统. 中国工业报. 2009.2. 项目的研究内容、研究目标, 以及拟解决的关键科学问题。（此部分为重点阐述内容）研究内容1)基于磁流变智能弹
21、簧的汽车主动减振悬架系统的多学科设计优化与集成设计基于磁流变技术的智能弹簧具有多场和多态的耦合效应，而基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统具有多学科的特征。为此，我们需要获得基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的多领域设计参数、信息以及相互的关联、演化与集成，需要研究基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的统一建模和关联分析，需要进行基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的多性能多参数的仿真分析与协同优化。2)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学及动态性能匹配设计 对于基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统，动力学性能的优劣直接影响系统的整体功能与性能指标，是决定系统
22、能否安全、高效和和谐运行的关键因素。为此，我们需要研究基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的多场、多态、多过程的耦合动力学理论，得到其动力学模型、进行计算机仿真，研究基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车的结构及环境的动态性能匹配设计，从而进行基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学综合设计。 3)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的主动控制理论基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的振动带有驱动模式，由此引起的振动和振动控制理论变得复杂，需要分析系统的输入力、承载能力、刚度、以及集成系统的阻尼等的关联关系，实现对系统振动的有效控制。研究基于磁流变智能弹簧的汽车主动
23、减振悬架系统的移频控制理论，研究磁流变智能弹簧与磁流变阻尼器集成的汽车主动减振悬架系统的混合移频控制和阻尼调控的主动控制策略。4)磁流变智能弹簧和汽车主动减振悬架系统的实验技术研究研究磁流变材料的磁致模量和宏观静动态力学性能测试。研究磁流变智能弹簧的宏观静动态力学性能测试，阐明系统结构与力学参数的关系。研究基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统在移频控制时的动态力学性能测试。研究磁流变智能弹簧与磁流变阻尼器集成的汽车主动减振悬架系统的混合移频控制和阻尼调控时的动态力学性能测试。研究目标发展一种可实时调控刚度、阻尼和高度（行程或车辆动态姿态）的集成基于磁流变技术的智能弹簧和阻尼器的汽车主动减振
24、悬架系统。拟解决的关键科学问题1） 磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车的结构及环境的动态性能匹配设计，基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学综合设计。 2） 基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的移频控制理论，磁流变智能弹簧与磁流变阻尼器集成的汽车主动减振悬架系统的混合移频控制和阻尼调控的主动控制策略。3. 拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）项目的顺利实施依赖于理论分析、数值模拟和试验测试的协同进行，因此本项目将采用理论、模拟和试验相结合的研究方法。1)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的多学科设计优化与集成设计(1)磁
25、流变智能弹簧的设计、优化与仿真由于流固边界和动态网格划分问题，有限元和边界元会引起不良的后果，为此选择无网格法会有较好的结果。运用随机无网格方法模拟磁流变液与磁流变弹性体在磁场、磁性颗粒、基体和各种添加剂等条件变化时的物理与力学机理，并获得相关的物理和力学等材料的设计参数。运用随机无网格数值仿真技术研究具有材料正交异性、几何非线性、边界非线性、多场耦合及动态随机过程等力学特征的磁流变智能弹簧的工作机理。基于随机无网格法和智能优化计算方法对磁流变智能弹簧的设计敏感性、结构可靠性以及与汽车结构匹配的结构尺寸和结构响应的设计反问题进行研究，为磁流变智能弹簧的设计以及应用匹配技术提供理论依据。(2)基
26、于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的设计、协同优化与仿真目前，汽车NVH（Noise、Vibration、Harshness）特性分析研究已经得到了非常迅速的发展，而形成系统的研究还需要一段时间。为此，我们可以借鉴其中的一些概念进行基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的研究。基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的协同优化应该包括下列三个方面：1）汽车结构NVH特性分析的计算机仿真技术研究，可以采用声振耦合的无网格方法进行计算机模拟。2）基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的关键部件设计研究，可以从源头和根本上解决问题。3）评价方法的研究。基于人的生理学、心理学和行为科学的汽车的
27、乘员舒适度评价理论和实验方法可以完整的解决乘员舒适度评价问题。利用协同优化算法在每一个子系统不仅进行分析，而且进行设计优化，从而使评价目标、各关键部件设计和系统耦合的整体优化设计结合起来。2)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学及动态性能匹配设计(1)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学与仿真运用网络系统动力学和多刚体动力学耦合的方法，建立基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学的动力学模型和计算机仿真。在结构力学中，利用节点（位置）和节点之间的连杆描述整个结构框架，而在离散拓扑结构优化中, 强调结构框架的拓扑性质。在研究连续介质力学的无网格法中，用一点和邻近周
28、围的覆盖来描述基函数。在这里的离散拓扑网络结构动力学的结构性描述中，我们引入图论描述法，如在二维的极大可平面图中，图中的每一个面为三边形（单纯形）k3，类似有限元中的三边形单元，在三维类似有限元中的四面体（单纯形）单元，每一个立体均为K4。在二维极大可平面图中，一点和连接该点邻近周围的N个点连接的轮图可以描述该点的连接关系和局部性质，近似地等价于无网格法中用一点和邻近周围的覆盖的逼近，三维可以类推。以图论的观点，结构力学、有限元和无网格法中的刚度矩阵可以看成图论中的邻接矩阵（其系数为0和1），刚度矩阵的刚度系数可以看成邻接矩阵系数的加权系数、或邻接刚度矩阵系数，加权系数与连接关系有关，这样拓扑
29、结构网络动力学的基本关系就完全确定下来了。在拓扑结构网络系统动力学的系统性描述中，网络系统动力学的外力场可以看成系统的输入，而系统动力学的输出表述为结构系统的响应结果，磁场力的反馈可以对系统进行调控，同时，可以建立网络系统动力学控制的基本框架。(2)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车的结构及环境的动态性能匹配设计运用基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车结构振动动态概率设计系统理论，阐明基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车结构系统的动态特性与动力学参数的关联关系。分析基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车结构系统的非线性特征，应用系统动力学方法及系统工程方
30、法探讨载荷、工况、运行环境和该系统动力学的动态性能匹配设计。整合基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统与汽车结构系统等子系统的多学科，发展出的一种针对汽车主动减振悬架系统动态性能的综合性系统理论体系。此理论体系可根据汽车主动减振悬架系统各元件参数及环境特征，定量得出其性能的动态化表现以及各环节的振动特征。(3)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学综合设计 重点针对基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的动力学分析及汽车结构综合设计进行深入研究，并进行相关的实验研究。主要包括以下内容：(a) 对基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统进行动力学特性分析的综合设计。(b) 利用网络
31、系统动力学和多刚体动力学耦合的方法分析基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统在不同工况下的频率和模态情况。(c) 研究通过改变外加磁场，使刚度及结构参数具有良好的动态特性。(d) 建立基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的网络系统动力学模型，计算振动模态及频率。(e) 通过振动分析研究减小和抑制振动的方法。分析系统在运行中振动产生的频率成分，并对仿真结果进行实验验证。3)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的主动控制理论(1)基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的移频控制理论基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的移频控制的目标是调整磁流变智能弹簧的频率和减振对象的振动主频率之
32、间的关系，以达到在较宽频带内控制振动的目的和最佳的减振效果。在振动信号分析中，小波函数具有良好的时频局部化特性，因此，小波分析方法为振动信号的时频分析提供了有力的手段。多分辨率分析是小波分析方法中的重要算法。小波包方法是对多分辨率分析的改进，它具有对信号的自适应性，能够根据信号的特性，自动选取不同的时频分辨率，从而弥补了多分辨率分析的不足。从小波包分析方法可以提出一种新的移频算法，从而可以建立基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的移频控制理论。(2)磁流变智能弹簧与磁流变阻尼器集成的汽车主动减振悬架系统的混合移频控制和阻尼调控的主动控制策略 从上述建立的基于磁流变智能弹簧的汽车主动减振悬架系统的移频控制理论出发，结合选择目前已有的阻尼调控的半主动控制方法，通过模拟分析和实验对比，可以得到混合移频控制和阻尼调控的主动控制方法。4)磁流变智能弹簧和汽车主动减振悬架系统的实验技术研究(1)磁流变材料宏观静动态力学性能测试磁流变材料的磁致模量和宏观静动态力学性能测试，磁流变材料的磁致模量和宏观静动态力学
