建模与预装液体弹簧阻尼减震器分析
摘要
预加载的基于液压弹簧/减震器的减震系统适用于重载军事应用。 在本文，数学模型被开发为被动液体弹簧减震器。 通过将负载安装在两个液体弹簧/阻尼器之间来实现预加载。 这种减震器的动力学涉及耦合的流体动力学和热力学现象。 由于流体动力学损失通过孔消散的能量加热工作流体并且因此热量被耗散到环境中。 这种多能量域相互作用在这里很好地表示通过使用债券图模型。 此外，已开发的模型解释了应变率相关的阻尼由液体弹簧中的可压缩工作流体提供。 结果表明，预加载和几何参数（弹簧尺寸和孔口尺寸）的适当选择可以分别减少热力学和应变率相关的阻尼现象。 1.介绍
液体减震器是紧凑，重量轻的悬挂支柱，减少悬挂间隙它们通常用于非常重的负载应用中，例如重型军用车辆，飞机中的起落架悬架和航天飞机。通过孔的液体流产生更大的阻尼的缓冲效应来自流体的可压缩性。本研究提出的动机纸来自需要保护安装在海军船上的敏感电子设备免受损坏造成的近乎不命中情况的冲击力。由于这种情况下的冲击输入水平不同这取决于在其上敏感设备（例如）的频率。雷达控制台，被安装，开发解决方案尤其具有挑战性[1]设备的脆弱性水平激励着我们使用高压液体弹簧减震[2]。液体弹簧设计受到恒定的高 实现所需预载荷力所需的压力，其在动态操作期间急剧增加。这些可能传播流体泄漏的峰值动态压力，冲击传递率和悬挂间隙是决定向船上提供的安全性和保护等级的关键设计参数 防御系统。 不同于汽车悬架设计，其中驾驶舒适性和可操作性是主要设计关注点，鲁棒性和可靠性是防御的关键设计方面系统。
理论研究早已表明，液体弹簧非常有效地隔离大冲击/高速率输入负载[3]。 然而，由于维持高液体压力所需的密封技术的昂贵且经常分类的性质，它们没有得到普遍使用。 液体弹簧的基本示意图如图1所示。 1，其中变量H，ht，Ap，Ar，M，W，g和V（t） 分别表示装置的总体内部高度，活塞的厚度，活塞横截面面积，活塞杆横截面积，支撑质量，其重量，重力和来自的速度激励地面。
液体弹簧的刚度与流体的体积模量和活塞面积的平方成比例，并且与流体腔的体积成反比。 主动液体弹簧可以改变刚度液体弹簧的特性与使用一个或多个辅助室连接的体积流体在活塞的两侧并且选择性地打开/关闭到辅助室[4]的导管的由液体弹簧提供的阻尼是由于流体流动限制，并且可以以各种方式调节：例如，通过使用用于双向阻尼的阻力板或用于单向的阀和孔口阻尼[5]。液体弹簧技术的最新发展大多基于主动控制，使得刚度和阻尼特性可以实时调节[4]。 使用磁流变（MR）工作流体是常用的主动控制方法之一[6]。 纳米多孔材料，其显示温度如形状记忆合金（SMA），也用于液体弹簧的主动控制[7]。 不考虑液体弹簧是主动还是被动的事实，液体的机械设计spring需要一个相当精确的模型。 在文献中，人们发现了基于液体弹簧模型的发展的流体力学[8]。 这些模型可用于研究微观行为（例如应力分布，流动字段），但是太复杂，无法研究宏观行为。 注意，为了开发主动控制方案，控制规律（具有一些特定的最优性）通常从简单的模型开发，因为它必须
在实时嵌入式/计算机化控制系统中实现。
减震器的宏观模型用诸如弹簧，缓冲器和摩擦元件的集总参数流变学元件表示。 每个集总参数元素可以具有线性或非线性特性并且与物理的自然定律兼容，当然包括热力学。 这种模型，对于纯机械现象，已经由不同的作者开发[5,9]。
图1.（a）液体缓冲器的示意图和（b）活塞中的孔的顶视图。 液体弹簧中的工作流体的温度显着改变了加工的性质流体。 体积模量和粘度。 这促使[10]的作者开发热机械模型的液体弹簧，其中作者表明，流变模型可以很容易地扩展以表示热机械加热现象和耦合效应。 他们评估了内部能量和外力的功率来制定用于工作流体之间的热通量的基本定律在阻尼器和环境中，因此获得描述的演变的微分方程温度
驾驶舒适性和机动性是汽车发展的主要设计目标减震系统。 移动的汽车总是受到来自道路的冲击输入。 类似地，船舶受到来自海浪的不断兴奋。 然而，冲击隔离的目的船上的船上设备的系统完全不同于乘客的冲击隔离系统舒适的汽车。 通常，用于敏感设备的液体弹簧支架预装在这样的支架中它们在正常巡航和运输期间对于小振幅冲击仍然不起作用[11]。
预加载不仅最小化由于摩擦引起的正常磨损，而且还保持了温度工作流体在液体弹簧中在正常大气温度下。 预加载也省去了完全重新设计组件以对负载的微小变化。
被动悬架动力学已在本文中使用债券图建模[12-17]。其实，[13]的前两位作者是活跃和半主动悬浮液领域的知名研究人员。债券用于空气弹簧/阻尼器系统的曲线模型，其有点类似于液体弹簧系统最近在[18]中开发。在本文中，特定的液体弹簧系统被设计为支持给定负载。的开发的液体弹簧系统被预加载并且其动力学被研究以迭代地确定关键设计参数，其将满足在最大瞬态液体方面给出的设计规范压力，最大悬挂间隙和最大传递冲击。此外，证实预加载布置确保工作流体中的最小温度变化。除此之外，高速率输入负载可能产生流动阻塞，从而在可压缩流体中形成冲击波并在工作流体中形成空穴。在封闭体积内建立的冲击波产生应变率依赖性阻尼力。设计问题的目标之一是选择适当的孔口尺寸，使得避免空化，流动阻塞和形成冲击波。 2.液体减震器
现代液体弹簧通常采用基于硅树脂的流体，其具有较小的体积模量，是非腐蚀性的，并且被认为是稳定的，即它们的性质如体积模量，粘度等对于大范围的工作压力和温度。 此外，这些流体具有优异的剪切稳定性，即在许多液压流体中没有观察到剪切破坏或粘度的持久下降当长时间使用时。 为本文选择的一种这样的流体是聚二甲基硅氧烷，其化学结构在
图2中给出。用于敏感军用设备的一些液体弹簧使用止回阀而不是活塞中的孔口仅在超过设计的预载冲击时允许流动，并且在正常操作下执行刚性安装。 在本文中，我们开发了一种替代预加载布置。
图 2.硅氧烷流体，聚二甲基硅氧烷的化学结构。
在本文中，提出了一种用于液压式液态弹簧减震器的一般粘合图模型可以使用具有应用于consti的适当修改的相同模板来对其他设计进行建模模型中各种键图元素的实际关系。 3.减震器的预加载
所考虑的具体设备将安装在三个对称放置的液体弹簧上。因此，我们考虑一个液体弹簧的负载的三分之一。设计的规格要求从200g到5g的冲击衰减（g是由于的加速度
重力），最大悬浮间隙在±3cm之间，峰值压力限制在1000巴。此外，为了增加密封件和活塞环的寿命，液体弹簧应该表现为用于冲击的刚性体±0.2 g（相当于±0.2 W负载）。这导致图1中给出的刚度特性。 5a，其中力的大小不包括静态载荷，即刚度特性参考 平衡状态。由于预加载的液体弹簧作用为用于小的刚性体的事实冲击时，工作流体的温度在其平台处于正常巡航时保持恒定。然而，本文将使用一个完整的热流体模型来验证这一事实。
图 5.（a）所需的刚度特性，和（b）预加载布置
有不同的预加载液体弹簧的方式[11,32]。本文使用的预加载安排如图1所示。 5b。与早先的布置（在图1a中）不同，负载由气缸支撑，活塞杆是固定的。主弹簧加载压力为Pc1 = 1.2W / Ar1和第二弹簧充气压力为Pc2 = 0.2W / Ar2，其中下标1和2表示主弹簧和副弹簧， 分别。在平衡状态下，第二弹簧不承载任何负载。在动态操作期间，除了在对应于平衡状态