功能集成型磁流变阻尼器——结构·原理·性能

磁流变阻尼器是一种新型阻尼减振器件，以智能材料磁流变液为传动工作介质，具有结构简单、体积小、能耗低、动态范围宽，响应速度快、阻尼连续可调等优点。本书对几种新型功能集成型磁流变阻尼器进行结构设计及功能分析，并对其自感应特性、振动能量采集性能及阻尼运动性能进行理论分析和实验研究，具有较好的理论意义和实际应用价值。

磁流变阻尼器（MRD）是一种以智能材料磁流变液为传动工作介质的新型阻尼减振器件。它主要是通过给阻尼器活塞头绕线槽内的励磁线圈施加一定大小的电流，产生磁场使得流经液流阻尼通道内的磁流变液的屈服强度发生变化，从而动态改变输出阻尼力。磁流变阻尼器具有结构简单、体积小、能耗低、动态范围宽、响应速度快、阻尼连续可调等优点，目前广泛应用在土木工程、智能机器人、汽车悬架和座椅悬架、直升机起落架等领域的减振吸振场合，成为工业应用领域优秀的半主动执行器件。
对于采用磁流变阻尼器的半主动控制系统，为了达到精确控制，需要配置位移传感器实现振动测量，容易导致安装空间大、重量增加、系统成本高及可靠性低等问题；另外，磁流变阻尼器工作时将外部振动能量以热能形式耗散掉，不满足节能环保要求。基于此，对集成位移自感应、振动能量采集及阻尼力可控功能的新型功能集成型磁流变阻尼器进行结构设计及功能分析，并对其自感应特性、振动能量采集性能及阻尼运动性能进行理论分析和试验测试，有望进一步拓宽MRD 在智能制造等领域的工程应用范围。
本书共5章，通过理论计算、电磁场仿真及试验测试等方式系统总结和阐述了功能集成型磁流变阻尼器的结构、原理及性能。
第1章阐述了磁流变液的基本组成及典型应用； 磁流变阻尼器的工作原理及结构设计；同时对国内外现有功能集成型磁流变阻尼器（包括自感应MRD、自发电MRD以及自感应自发电MRD）的工作原理及结构特点进行了详细介绍。
第2章介绍了位移差动自感式磁流变阻尼器(DDSMRD) 的结构设计及工作原理；建立了阻尼力和位移差动自感应数学模型；对DDSMRD的感应特性和阻尼性能进行了建模仿真分析，分析了DDSMRD关键参数与结构对自感应特性的影响；同时搭建测试系统，对感应特性和阻尼性能进行了测试分析。
第3章介绍了一种新型位移差动自感式磁流变阻尼器(NDDSMRD) ，并对其结构和工作原理进行了阐述；对自感应静态和动态特性以及阻尼性能进行了仿真分析和试验测试，同时分析讨论了不锈钢和10钢两种不同材料的阻尼信号缸体对自感应特性和阻尼性能的影响。
第4章介绍了振动能量采集型磁流变阻尼器（EHMRD）的结构及工作原理； 建立了振动能量采集数学模型及电磁场仿真模型，并对能量采集性能及速度自感应性能进行了仿真和测试研究。
第5章提出了一种集位移自感应、振动能量采集和阻尼力可控于一体的位移自感应振动能量采集型磁流变阻尼器（DSEHMRD）。对DSEHMRD进行电磁场仿真分析，得到不同加载电流下的磁感应强度分布规律、感应电动势与阻尼器活塞杆相对位移的关系、不同结构组合下的振动能量采集工作效能。对DSEHMRD进行动力性能测试， 得出动力性能指标；对DSEHMRD的位移自感应性能进行测试，得到感应电压与位移的关系；对DSEHMRD振动能量采集装置性能进行测试，分析其振动能量采集功效。
本书是华东交通大学胡国良教授及其团队多年来相关研究成果的总结，研究工作得到了国家自然科学基金项目(51765016，51475165，11462004，51165005) 、江西省创新驱动5511 科技创新人才项目（20165BCB18011）、江西省主要学科学术和技术带头人资助计划项目（20162BCB22019）以及南昌市智能装备与控制重点实验室（2019-NCZDSY-004）的大力支持，在此表示衷心感谢。
由于本书涉及范围广，作者学识有限，加之时间仓促，难免会有疏漏或不当之处，欢迎广大读者及业内人士予以指正。

胡国良
2020年5月

胡国良，华东交通大学机电与车辆工程学院，副院长，载运工具与装备教育部重点实验室主任，华东交通大学学术委员会副主任委员，华东交通大学学报编委。先后获国务院政府特殊津贴、江西省政府特殊津贴、江西省主要学科学术和技术带头人、江西省新世纪百千万人才工程人选、江西省创新驱动5511科技创新人才、江西省青年科学家培养对象等荣誉称号。
主持完成及在研国家自然科学基金项目5项，省级、厅级及企业横向课题20余项；获江西省技术发明三等奖2项，江西省高等学校科技成果奖一等奖、三等奖各1项。授权国家发明专利21项；发表核心以上期刊论文150余篇，其中SCI、EI检索50余篇。

本书共分5章，系统分析说明了三类典型功能集成型MRD (位移差动自感式MRD、振动能量采集型MRD、位移自感应振动能量采集型MRD)的结构、工作原理、动力性能、自感应性能以及振动能量采集特性等。本书为功能集成型MRD的研发及工程应用提供了设计帮助和理论参考，书中功能集成型MRD的设计采用的优化方法、理论分析手段可为现有MRD的结构设计提供理论指导。
本书可供机械工程专业高年级本科生及研究生阅读，也可供在工程技术领域(如机器人、车辆工程)从事减振工作的技术员及工程师参考。

第1章　绪论 / 1
1.1　MRF基本组成及典型应用         1
1.1.1 MRF基本组成             1
1.1.2 MRF工作模式及典型应用        2
1.2　磁流变阻尼器（MRD）工作原理及结构设计        3
1.2.1 MRD工作原理          3
1.2.2 MRD结构设计          4
1.3　功能集成型MRD国内外研究现状及发展趋势     7
1.3.1 自感应MRD国内外研究现状及发展趋势       7
1.3.2 自发电MRD国内外研究现状分析      11
1.3.3 自感应自发电MRD国内外研究现状分析       15
参考文献              17

第2章　位移差动自感式磁流变阻尼器（DDSMRD）结构设计及性能分析 / 20
2.1　DDSMRD工作原理及结构设计        20
2.1.1 DDSMRD结构与工作原理          20
2.1.2 DDSMRD阻尼力数学模型          21
2.1.3 DDSMRD位移差动自感应原理         22
2.1.4 DDSMRD结构设计         25
2.1.5 磁路计算              28
2.2　DDSMRD感应特性和阻尼性能建模仿真分析     29
2.2.1 DDSMRD感应特性建模仿真及分析        29
2.2.2 DDSMRD阻尼性能建模及分析         35
2.3　DDSMRD关键参数与结构的有限元仿真      39
2.3.1 DDSMRD关键参数有限元仿真         40
2.3.2 DDSMRD绕线缸体建模与仿真         43
2.4　DDSMRD感应特性和阻尼性能测试分析      50
2.4.1 DDSMRD感应特性信号采集系统      50
2.4.2 DDSMRD阻尼性能试验平台       51
2.4.3 DDSMRD感应特性及阻尼性能测试分析       51
参考文献              57

第3章　新型位移差动自感式磁流变阻尼器（NDDSMRD）结构分析及功能集成研究 / 58
3.1　NDDSMRD工作原理及结构设计          58
3.1.1 NDDSMRD结构与工作原理       58
3.1.2 NDDSMRD力学模型           60
3.1.3 NDDSMRD位移差动自感应原理      61
3.1.4 NDDSMRD结构设计           62
3.2　NDDSMRD自感应特性和阻尼特性仿真分析     66
3.2.1 零参考位置处NDDSMRD阻尼特性磁场仿真      66
3.2.2 活塞头不同位置处NDDSMRD阻尼特性磁场仿真     71
3.2.3 不锈钢和10钢阻尼信号缸体的NDDSMRD谐波磁场仿真   73
3.2.4 NDDSMRD动力特性仿真          82
3.3　NDDSMRD自感应特性静态分析          86
3.3.1 NDDSMRD静态拉伸试验系统         86
3.3.2 NDDSMRD自感应静态特性测试      87
3.4　NDDSMRD阻尼性能和自感应动态特性分析     88
3.4.1 NDDSMRD振动性能测试平台         88
3.4.2 不锈钢阻尼信号缸体的NDDSMRD动态拉伸试验及性能分析  88
3.4.3 10钢阻尼信号缸体的NDDSMRD动态拉伸试验及性能分析   92
3.4.4 NDDSMRD自感应特性和阻尼性能对比分析      95
参考文献              96

第4章　振动能量采集型磁流变阻尼器（EHMRD）结构设计及振动能量采集研究 / 97
4.1　EHMRD工作原理及结构设计        97
4.1.1 EHMRD工作原理         97
4.1.2 EHMRD振动能量采集数学模型      99
4.2　EHMRD振动能量采集电磁场仿真       102
4.2.1 EHMRD电磁场仿真模型          102
4.2.2 EHMRD电磁场仿真分析          103
4.3　EHMRD测试分析             108
4.3.1 性能测试系统          108
4.3.2 振动能量采集性能测试分析       109
4.3.3 速度自感应性能试验分析          112
4.3.4 阻尼性能试验分析         114
参考文献              117

第5章　位移自感应振动能量采集型磁流变阻尼器（DSEHMRD）结构设计及关键技术研究 / 119
5.1　DSEHMRD结构设计            119
5.1.1 工作原理           119
5.1.2 MRD结构设计            122
5.1.3 位移自感应结构设计           125
5.1.4 振动能量采集装置结构设计       127
5.1.5 关键结构设计及计算           131
5.2　DSEHMRD电磁场仿真分析        135
5.2.1 MRD静态磁场分析           135
5.2.2 位移自感应磁场仿真           139
5.2.3 振动能量采集磁场仿真        142
5.3　DSEHMRD性能研究及试验分析       147
5.3.1 DSEHMRD性能测试系统          147
5.3.2 阻尼动态性能分析         148
5.3.3 位移自感应性能分析           151
5.3.4 振动能量采集装置采集性能分析      157
参考文献              162