变刚度变阻尼磁流变阻尼器的优化设计及性能分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.119

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (5): 686-695 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.119

优化设计

变刚度变阻尼磁流变阻尼器的优化设计及性能分析

刘东¹(

),胡国良¹(

),张佳伟^1,²,喻理梵¹

^1.华东交通大学机电与车辆工程学院，江西南昌 330013
^2.江西机电职业技术学院机械工程学院，江西南昌 330013

Optimization design and performance analysis of variable stiffness and variable damping magnetorheological damper

Dong LIU¹(

),Guoliang HU¹(

),Jiawei ZHANG^1,²,Lifan YU¹

^1.School of Mechatronics and Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China
^2.School of Mechanical Engineering, Jiangxi Vocational College of Mechanical & Electrical Technology, Nanchang 330013, China

全文: PDF(3218 KB) HTML

摘要：

针对传统液压阻尼器刚度系数、阻尼系数固定以及减振性能不佳等问题，设计了一种变刚度变阻尼磁流变阻尼器，通过将2个刚度系数不同的弹簧分别与磁流变阻尼器串、并联，以实现刚度和阻尼力的连续可调。首先，阐述了变刚度变阻尼磁流变阻尼器的工作原理，并建立了其阻尼力数学模型和动力学模型。随后，以刚度可调范围、输出阻尼力及其可调范围为目标，基于NSGA-Ⅲ（non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ，非支配排序遗传算法-Ⅲ）对变刚度变阻尼磁流变阻尼器进行多目标优化设计，并对优化前后的磁流变阻尼器进行了仿真分析和性能对比。结果表明，当加载电流为2.0 A时，优化后的输出阻尼力可达1 188.2 N，比优化前提升了29.5%；阻尼力可调系数由4.1提高到4.6，刚度可调系数由3.2提高到5.3，比优化前分别提升了12.2%和65.6%；优化后磁流变阻尼器的刚度和阻尼性能均显著提升。所设计的变刚度变阻尼磁流变阻尼器结构紧凑且刚度系数和阻尼系数连续可调，可为车辆悬架或建筑隔振系统中磁流变阻尼器的设计与优化提供参考。

关键词： 磁流变阻尼器; 变刚度; 变阻尼; 多目标优化设计

Abstract:

Aiming at the problems of fixed stiffness and damping coefficients and suboptimal vibration suppression performance of traditional hydraulic dampers, a variable stiffness and variable damping magnetorheological (MR) damper is designed. By integrating two springs with different stiffness coefficients in series and parallel with the MR damper, the continuous adjustable stiffness and damping force can be achieved. Firstly, the working principle of the variable stiffness and variable damping MR damper was expounded, and its damping force mathematical model and dynamics model were established. Subsequently, a multi-objective optimization design targeting adjustable stiffness range, output damping force, and its adjustable range was conducted using NSGA-Ⅲ (non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ). Meanwhile, simulation analysis and performance comparison were conducted on the MR dampers before and after optimization. The results showed that when the applied current was 2.0 A, the optimized output damping force reached 1 188.2 N, which was 29.5% higher than that before optimization. The adjustable damping force coefficient was increased from 4.1 to 4.6, and the adjustable stiffness coefficient was increased from 3.2 to 5.3, which increased by 12.2% and 65.6% compared with before optimization, respectively. The stiffness and damping performance of the optimized MR damper was significantly improved. The designed variable stiffness and variable damping MR damper features a compact structure while maintaining continuously adjustable stiffness and damping coefficients, which can provide reference for the design and optimization of MR dampers in vehicle suspension or building vibration isolation system.

Key words: magnetorheological damper variable stiffness variable damping multi-objective optimization design

收稿日期: 2025-03-09 出版日期: 2025-10-31

CLC:

TH 137.5

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52475057);江西省国际科技合作重点项目(20232BBH80010);江西省自然科学基金重点项目(20252BAC250046);江西省研究生创新专项资金项目(YC2024-B203)

通讯作者: 胡国良 E-mail: 3048115907@qq.com;glhu@ecjtu.edu.cn

作者简介: 刘　东（2001—），男，硕士生，从事磁流变阻尼器结构优化设计研究，E-mail: 3048115907@qq.com，https://orcid.org/0009-0009-3948-7593

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刘东,胡国良,张佳伟,喻理梵. 变刚度变阻尼磁流变阻尼器的优化设计及性能分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 686-695.

Dong LIU,Guoliang HU,Jiawei ZHANG,Lifan YU. Optimization design and performance analysis of variable stiffness and variable damping magnetorheological damper[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(5): 686-695.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.119 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I5/686

图1 变刚度变阻尼磁流变阻尼器结构示意图

图2 磁流变阻尼器的动力学模型及其等效模型

图3 磁流变阻尼器的磁流耦合仿真模型

图4 活塞头轴对称截面的磁感应强度分布

图5 不同电流下阻尼间隙内磁感应强度的分布曲线

图6 不同电流下的输出阻尼力—位移曲线

图7 不同电流下的输出阻尼力—速度曲线

图8 等效阻尼系数随电流的变化曲线

图9 等效刚度系数随电流的变化曲线

图10 磁流变阻尼器的多目标优化设计流程

表1 设计变量的取值范围

图11 NSGA-Ⅲ的基本寻优流程

表2 各代理模型的拟合指标

图12 磁流变阻尼器性能指标的Pareto最优解集

表3 磁流变阻尼器关键参数的优化结果

图13 优化前后输出阻尼力随电流的变化曲线

图14 优化前后阻尼力可调系数随电流的变化曲线

图15 优化前后刚度可调系数随电流的变化曲线

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