混合式汽车磁流变碰撞缓冲器设计与仿真分析

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为了提高汽车的碰撞安全性,减少汽车碰撞事故中的财产损失和人身伤亡,相关学者对汽车碰撞缓冲吸能装置进行了大量研究,提出了压溃式缓冲器、液压阻尼式缓冲器、摩擦式缓冲器、气囊式缓冲器等汽车碰撞缓冲装置。但是这些缓冲器受限于缓冲机理,只能在设计条件下取得好的缓冲效果,对不同类型、不同冲击速度和不同质量的汽车碰撞适应性差。具有变刚度、变阻尼和高吸能特性的智能汽车碰撞缓冲器是未来汽车碰撞缓冲器的发展方向。随着磁流变技术的日益成熟以及在冲击载荷下的应用研究的不断深入,为研究可变阻尼和良好吸能特性的智能汽车碰撞缓冲器提供了可能,即汽车磁流变碰撞缓冲器,研究汽车磁流变碰撞缓冲器对于汽车碰撞安全性能的提高具有重要的学术价值和现实意义。本文根据磁流变技术和汽车碰撞工况的特点,提出了一种剪切流动挤压混合模式的汽车磁流变碰撞缓冲器,并对其进行了设计与仿真分析。本文的主要研究内容如下:
  ①从汽车碰撞安全的研究现状出发,根据磁流变技术和汽车碰撞工况的特点,分析了汽车碰撞缓冲器的设计要求。基于剪切流动挤压混合工作模式,对混合式磁流变缓冲器进行了总体设计分析,并根据有限元仿真对混合式缓冲器的磁路进行了分析设计,发现仅仅布置挤压磁路就能满足混合工作模式的磁场需求,并且能够提高剪切流动工作区域的磁场利用率。
  ②以流体力学为基础,结合阻尼通道具体结构、缓冲器工作原理、磁流变脂的特性,基于Bingham模型,将阻尼通道分为挤压径向流道道、环形流道和局部激变流道进行流体力学分析,推导了各区域的流速、压强分布表达式和阻尼力计算公式,确定了混合式磁流变缓冲器的总阻尼力计算模型。
  ③基于总阻尼力计算模型构建了SIMULINK仿真系统,通过落锤冲击试验获取了碰撞冲击激励信号。通过评价指标分析了各关键尺寸对缓冲性能的影响情况,并对缓冲器的结构尺寸进行了重新设计与分析。最后根据重新设计的缓冲器,仿真分析了不同工作模式(磁感应强度)对缓冲性能的影响情况。研究发现:a.区域三间隙高度和缸筒内径对缓冲器的阻尼特性影响最大,随着区域三间隙高度增大和缸筒内径减小,缓冲器的输出阻尼力大幅度下降,阻尼特性变好。b.相对于单一工作模式,混合模式时阻尼力动态范围最大,扩宽了阻尼力调节范围;挤压模式下缓冲器的输出阻尼力平稳性较好,剪切流动模式下缓冲器的吸能特性较好,混合工作模式则兼具了两者的优点。c.缓冲性能主要取决于缓冲器的结构尺寸,在较合理的结构尺寸下,不同工作模式下缓冲性能总体都较好。
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