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磁流变半主动落锤冲击缓冲系统的“软着陆”控制试验与分析丨JME封面文章

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机械工程学报 2021-06-16 21:15

最小化冲击载荷作用于重要负载引起的结构损伤是振动和冲击控制领域的重要课题。特种车辆遭遇地雷等简易爆炸装置、直升机的起落及坠毁、火炮后座的反冲载荷、波浪对船体的冲撞等产生的冲击载荷都会作用于重要负载(如驾乘人员和仪器设备系统)并造成结构损伤。由于磁流变能量吸收器(MREA)具有响应速度快、可控阻尼比大、阻尼力连续可调的优越可控性能,进行基于MERA的振动/冲击应用基础研究具有一定的前瞻性。

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合肥工业大学白先旭、杨森《机械工程学报》2021年第1封面文章的形式发表了《磁流变半主动落锤冲击缓冲系统的“软着陆”控制试验与分析》一文。他们研究了基于磁流变能量吸收器(Magnetorheological energy absorber, MREA) 的单自由度冲击缓冲控制系统在落锤激励条件下的控制方法,实现最大化利用MREA 的活塞行程并在活塞行程终点落锤速度减小至0 的落锤“ 软着陆(Soft landing)” 控制目标。建立了基于MREA 的单自由度冲击缓冲系统的动力学模型和试验测试系统。为了准确模拟MREA 的磁滞非线性力,基于基本RC 算子磁滞模型研究了MREA 磁滞非线性力前馈跟踪方案。根据落锤的实时状态得出落锤下落的期望反馈,从而得出期望阻尼力进而实现落锤的缓冲控制。仿真分析和试验测试验证了基于准确的MREA 磁滞非线性力模型的MREA 冲击缓冲系统“软着陆”控制方案的可行性。

期望阻尼力和跟踪阻尼力、期望励磁电流和实际励磁电流的时间历程曲线

MREA活塞位移、速度和加速度的时间响应曲线

MREA跟踪期望阻尼力的时间历程曲线和MREA输入励磁电流时间历程曲线


引用论文

白先旭, 杨森. 磁流变半主动落锤冲击缓冲系统的“软着陆”控制试验与分析[J]. 机械工程学报, 2021,57(1): 121-127.

BAIXianxu, YANG Sen. Experimental Test and Analysis of “Soft-landing” Control forDrop-induced Shock Systems using Magnetorheological Energy Absorber[J]. Journalof Mechanical Engineering, 2021, 57(1): 121-127.

重要结论

基于基本RC算子的磁滞非线性模型提出可控吸能执行器MREA磁滞非线性阻尼力的前馈跟踪控制策略,并基于“软着陆”控制策略和系统状态反馈控制实现落锤下落冲击加速度的最小化——落锤冲击的“软着陆”控制,具体地如下。

(1)基于RC算子磁滞非线性模型的前馈跟踪控制策略可以精确的跟踪期望阻尼力,仅在受到自身残余阻尼力的影响下,出现了不可避免的微小的跟踪误差。

(2)根据“软着陆”控制策略设计的冲击缓冲控制系统,可以实现落锤的“软着陆”,即落锤速度在均匀加速度下达到0,同时MREA可用行程几乎用完(使用了活塞全部行程的98.27%)。未能完全使用活塞行程的原因在于MREA的磁滞非线性力未能被基于RC算子磁滞非线性模型精确预测。磁流变系统的精确控制应用的基本前提依然是高效的磁滞非线性模型。

前景与应用

所实现的磁流变半主动落锤冲击缓冲控制,对磁流变技术在诸如特种车辆减振抗爆座椅、飞机起落架、火炮后座的反冲缓冲系统中的应用奠定了重要理论基础,提供了可靠的技术手段。

主创简介

白先旭,博士,合肥工业大学车辆工程系副教授,硕士生导师,自适应结构与智能系统实验室(LASIS, www.lasiser.com) 负责人,主要从事“ 智能结构系统、汽车系统动力学与控制” 方面基础研究,获ASME SMASIS2010 Best Student Paper Award (2010) 、重庆大学学术开拓奖(2011) 、SAE-China 悬架分会最佳论文(2017) 、全国非线性振动学术会议优秀论文奖(2019) 等。近五年,承担国家级、省部级及企业委托项目近20 项;第一作者/ 通讯作者发表SCI 检索期刊论文30 余篇(其中1 篇ESI 高被引论文)、ISTP 检索国际学术会议论文40 余篇;获得授权中国发明专利30 余项(已转化4 项)、授权PCT 美国专利2 项。

目前白先旭博士兼任国际期刊Journal of Intelligent Material Systems and Structures 和SAE International Journal of Connected and Automated Vehicles 副编辑(Associate Editor) ;任中国汽车工程学会青年工作委员会委员、中国自动化学会车辆控制与智能化专业委员会委员、中国汽车工程学会悬架分会技术委员、ASME 航空分部自适应结构与材料系统分会技术委员。目前他是ASME 会员(S’09, M’12) 、SAE-China 会员(M’16) 、AUTO-E 成员(M’17) 和CAA 会员(M’18) 。

研究方向

自 适应结构与智能系统实验室长期致力于智能结构系统与先进汽车动力学的联合研究,具体的研究方向如下:(i) 基于智能材料(磁流变液/ 弹性体和磁滞伸缩材料)的执行器设计、优化、动力学与控制;和(ii) 基于全新机电系统的智能/ 无人车辆系统动力学与控制。实验室承担了国家级、省部级及企业委托项目近30 项;获得省部级科技奖励2 项;发表高水平期刊论文50 余篇、ISTP 检索国际学术会议论文50 余篇;获得授权中国发明专利40 余项(已转化5 项)、授权PCT 美国专利2 项。

编辑:恽海艳 校对:向映姣

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