面向直升机座椅隔振及抗坠毁的变间隙磁流变阻尼器研究

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直升机在正常飞行过程中产生的振动和紧急迫降过程中受到的冲击是关系到乘员身体健康以及生命安全的重要因素。目前大多数直升机座椅在设计过程中仅考虑其抗坠毁功能,且多使用传统被动吸能装置,无法针对不同的乘员体重和碰撞等级调节其输出载荷,无法对乘员提供最有效的保护。磁流变阻尼器作为一种新型智能结构,能够通过改变电流调节其输出载荷大小,且响应快、耗能少、阻尼连续可调,目前已有学者将其应用于直升机座椅隔振中,但研究相对较少,且由于隔振工况和抗坠毁工况对磁流变阻尼器所提出的设计要求差别较大,因此目前还没有智能结构能同时满足直升机座椅隔振和抗坠毁的要求。针对上述问题,本文对直升机座椅隔振及抗坠毁一体化磁流变阻尼器开展研究,主要工作包括:(1)提出了一种能同时满足直升机座椅隔振和抗坠毁需求的新型变间隙磁流变阻尼器结构,并建立了其力学模型。利用工作间隙的变化适应不同的冲击速度以保持阻尼力在全行程范围内输出平稳,提高工作效率;利用微元法思想推导了长活塞在不同工作间隙处的沿程压降和形阻压降,通过对雷洛数的计算确定了磁流变液的流动状态,考虑了其在高剪切应变率下的剪切稀化现象,推导了精确的库伦压降。(2)提出了一种增强变间隙磁流变阻尼器环境适应性的拓扑形面优化设计方法,完成了其力学性能分析和结构设计。为了适应不同的冲击速度和乘员重量工况,将变间隙磁流变阻尼器工作间隙形状预设为抛物线型和幂函数型两种变化规律,以活塞尺寸、缓冲行程、工作电流和工作间隙曲线的函数系数为优化变量,以七种典型工况下的缓冲效率为优化目标进行拓扑形面优化,获得最佳间隙曲线和各工况下的最佳电流值;根据优化结果完成器件性能数值仿真验证、结构设计及磁路分析。(3)基于拓扑形面优化结果,完成了变间隙磁流变阻尼器样机的加工和装配,并测试了其隔振单元、抗坠毁单元的基本力学性能。变内径缸筒采用CNC加工以确保工作间隙曲线的准确性;分析了隔振单元在不同振幅、不同频率及不同电流工况下的力学特性,并将可调范围和最大阻尼力等关键设计指标与理论计算值进行了对比;分析了抗坠毁单元在不同行程处和不同电流工况下的库伦阻尼力变化规律。(4)分别建立了直升机座椅隔振和抗坠毁系统动力学模型,针对不同的工况提出对应的控制策略,完成仿真分析。针对直升机座椅隔振系统,利用天棚控制策略完成了座椅隔振性能仿真分析。针对直升机座椅抗坠毁系统,利用拓扑形面优化思想确定的自适应变间隙结构作为控制策略,完成直升机座椅抗坠毁系统性能仿真分析,并与含传统固定间隙磁流变阻尼器的直升机座椅抗坠毁系统进行对比。(5)设计并搭建了直升机座椅跌落实验平台,对变间隙结构设计思想和拓扑形面优化思想的有效性进行了实验验证。完成直升机隔振及抗坠毁半主动磁流变座椅悬架系统的搭建,包含变间隙磁流阻尼器、纯剪切阻尼器和弹簧的连接与布置;完成不同冲击环境下直升机座椅跌落实验,分析了器件对不同工况的适应性。
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