基于TRIZ理論的減振器流-固耦合特性仿真

張娜，于振環(huán)，楊坤，劉志遠(yuǎn)

1.長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程學(xué)院，吉林長春 130011；2.長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校汽車工程學(xué)院，吉林長春 130011；3.一汽東機(jī)工減振器有限公司試驗(yàn)中心，吉林長春 130013；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程系，黑龍江哈爾濱 150080

0 引言

車輛減振器是汽車懸架極其重要的部分，車輛行駛的操控穩(wěn)定性能的好壞直接受其影響。電磁閥半主動減振器，又稱為連續(xù)可變阻尼懸架控制系統(tǒng)，減振器的阻尼受電磁閥連續(xù)調(diào)節(jié)，以便適應(yīng)復(fù)雜的路況，保持良好的操穩(wěn)性。我國半主動懸架控制系統(tǒng)目前已經(jīng)取得了很多成果，但是在使用中還存在一些不足。因此，本文基于TRIZ理論的新型創(chuàng)新原理給出了一種減振器，提升了半主動減振器的阻尼力值范圍，利用創(chuàng)新理論深入開展車輛減振器的改進(jìn)研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 TRIZ理論新型創(chuàng)新原理表

創(chuàng)新是發(fā)明在某企業(yè)進(jìn)行商品化的開發(fā)，企業(yè)通過產(chǎn)品在市場中獲得了收益。找到系統(tǒng)當(dāng)前的問題所在，通過創(chuàng)新方法將其達(dá)到理性狀態(tài)的過程，就是解決問題的實(shí)質(zhì)。文中主要應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論中Matrix 2003的創(chuàng)新原理表以及所對應(yīng)的40個創(chuàng)新原理。MANN于2003年提出新型矛盾矩陣Matrix 2003。利用該矩陣可以推導(dǎo)出出現(xiàn)頻率較高的創(chuàng)新法則，并將該法則應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域中，大大提高解決問題的效率。

在利用TRIZ理論新型創(chuàng)新原理表解決電磁閥半主動減振器的問題時，首先根據(jù)電磁閥半主動減振器遇到的具體工程問題，確定其有待改善的性能；然后將預(yù)改善的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ理論新型創(chuàng)新原理表的標(biāo)準(zhǔn)解，通過Matrix 2003表格，整理出出現(xiàn)頻率較高的發(fā)明原理序號；最后將發(fā)明創(chuàng)新原理應(yīng)用到具體的系統(tǒng)中，找出滿足要求的有效解。

2 基于TRIZ理論的電磁閥減振器的分析

2.1 基于TRIZ理論嵌套原理的應(yīng)用

電磁閥半主動減振器受自身機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，可調(diào)阻尼力范圍小，如圖1所示為電磁閥半主動減振器阻尼力曲線。有限的阻尼力范圍嚴(yán)重限制了半主動懸架控制器的工作邊界，影響了車輛的操穩(wěn)性，所以勢必要提高電磁閥半主動減振器阻尼力的范圍。

圖1 電磁閥半主動減振器阻尼力曲線

為了解決以上問題，文中提出欲改善的工程特性為：應(yīng)力或壓力以及可靠性。

欲改善的工程特性對應(yīng)的創(chuàng)新原理(一)見表1。由表可知，兩個欲改善的性能中，同時包含的創(chuàng)新原理適用序列為NO.35、NO.10、NO.3和NO.4，TRIZ創(chuàng)新原理及其具體內(nèi)容(一)見表2。

表1 欲改善的工程特性對應(yīng)的創(chuàng)新原理(一)

表2 TRIZ創(chuàng)新原理及其具體內(nèi)容(一)

嵌套原理的應(yīng)用設(shè)想：改變系統(tǒng)的物理狀態(tài)。液壓油為電磁閥半主動減振器的主要成分，隨著溫度的變化，液壓油的黏度系數(shù)也有較大變化，若黏度系數(shù)變化大，通過小孔的油液受到的阻力也變化，影響車輛行駛的穩(wěn)定性，即該減振器可調(diào)阻尼力范圍小。磁流變液(magnetorheological fluid,MR)屬流動性可控的新型流體，是一種應(yīng)用性較廣的智能材料。外部無磁場時，MR流體呈現(xiàn)低黏度物理特性；外加磁場時，轉(zhuǎn)化為高黏度、低流動性的物理特性。磁流變液具有轉(zhuǎn)換能耗低、易于控制以及響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在毫秒級時間內(nèi)從任意流動的液體突變?yōu)榘牍腆w或者固體，可控流變特性即可顯現(xiàn)出來。所以，根據(jù)嵌套理論的設(shè)想，將電磁閥半主動減振器內(nèi)部的油液改為磁流變液，即可改善所需工程特性。

2.2 基于TRIZ理論機(jī)械替代及分離原理的應(yīng)用

將電磁閥半主動減振器內(nèi)部油液改為磁流變液又會遇到新的問題：磁流變液是由微小易磁化的顆粒分布于特定溶液中形成的特殊懸浮液體，由于磁流變液顆粒大且黏度系數(shù)較大，將其置于閥系結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電磁閥半主動減振器內(nèi)部，會導(dǎo)致閥系機(jī)械結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷并失效。

為了解決以上問題，文中提出欲改善的工程特性為：物質(zhì)損失和系統(tǒng)的復(fù)雜性。

由表3可知，兩個欲改善的性能中，同時包含的創(chuàng)新原理適用序列為NO.28、NO.2、NO.10和NO.35，TRIZ創(chuàng)新原理及其具體內(nèi)容(二)見表4。

表3 欲改善的工程特性對應(yīng)的創(chuàng)新原理(二)

表4 TRIZ創(chuàng)新原理及其具體內(nèi)容(二)

機(jī)械系統(tǒng)替代原理和分離原理的應(yīng)用設(shè)想：將電磁閥半主動減振器中的“干擾”部分——閥系分離出去，再設(shè)計(jì)一套新的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行替代，如圖2所示。

圖2 新型減振器閥系結(jié)構(gòu)

此新型減振器內(nèi)部為磁流變液流動液體，液體黏度系數(shù)可隨磁場強(qiáng)弱變化而變化，當(dāng)磁場增加時，其黏度系數(shù)增加，液體流過活塞的節(jié)流孔后，減振器的阻尼力值也隨之增加。在磁場作用下，磁流變液的流動黏度系數(shù)遠(yuǎn)大于電磁閥半主動減振器油液系數(shù)，產(chǎn)生的阻尼力值比電磁閥半主動減振器阻尼力值范圍更大，能夠增加控制器對作動器的控制范圍，擴(kuò)大控制算法數(shù)學(xué)模型的邊界范圍，能夠提高車輛的操控穩(wěn)定性。

3 新型減振器的有限元分析方法

3.1 流固耦合有限元數(shù)學(xué)模型

固體與流體之間的運(yùn)動狀態(tài)，可以利用流固耦合有限元分析方法來解決，它需要同時滿足：流體耦合邊界的動力學(xué)方程和運(yùn)動學(xué)方程。固體耦合邊界的運(yùn)動學(xué)方程為

=

(1)

動力學(xué)條件為

=

(2)

式中:為流體邊界位移；為固體邊界位移;為單位外法線矢量;為流體應(yīng)力;為固體應(yīng)力。

利用運(yùn)動學(xué)的條件，即可推導(dǎo)出以下條件

=

(3)

式中:為流體速度;為固體速度。

3.2 基于Adina的減振器閥系流固耦合有限元分析

利用流固耦合有限元對新型減振器閥系核心區(qū)域進(jìn)行仿真分析時，有3個關(guān)鍵性問題需要解決：

(1)流固耦合面上的相互作用力需準(zhǔn)確傳遞。Adina軟件在仿真前需要分別建立固體與流體模型，并且在求解流-固耦合問題時要分別定義兩個模型的耦合面上的邊界條件。還要達(dá)到一定容差，設(shè)置的網(wǎng)格可以不完全一致。因此，為了確保在流固耦合面上準(zhǔn)確傳遞作用力，在對MRD核心區(qū)域進(jìn)行分析時，需采用如下處理方式：將處于流固耦合面上的流體節(jié)點(diǎn)位移與附近固體節(jié)點(diǎn)位移做插值，固體節(jié)點(diǎn)力通過對周圍流體應(yīng)力積分求得，即

(4)

式中：為固體虛位移。

(2)固體變形引起流體網(wǎng)格移動的問題解決。這一問題的解決可以把歐拉方程導(dǎo)入ALE(arbitrary lagrangian euleria)。Adina軟件中的流固耦合邊界上，流體節(jié)點(diǎn)的位移以及速度取決于固體變形的程度，可通過對Laplace方程求解得到流體體積的變化量。與此同時，定義Leader-Follower點(diǎn)時，流體邊界的網(wǎng)格可人為控制。

(3)高效求解耦合系統(tǒng)。直接法和迭代法是Adina的兩種有效解法，進(jìn)行動態(tài)分析時，流體和固體模型的積分點(diǎn)要求一致。為了對流-固模型分別求解，由于該模型的非線性特點(diǎn)，需要均采用迭代求解法。將流-固模型放在同一矩陣中求解，即直接解法，有限元方程為:

(5)

+1=+Δ

(6)

(7)

(8)

式中:為位移松弛因子，0<≤1;為應(yīng)力松弛因子，0<≤1。

直接解法精確度很高，主要應(yīng)用于計(jì)算量較小的非接觸瞬態(tài)模型。

4 閥系核心區(qū)域流固耦合有限元分析

所述新型減振器的-特性曲線來自于其工作核心區(qū)域，必須分別建立流場模型和固體模型，可剛體處理工作缸。為求得最大減振器阻尼力-范圍，所以只建立磁場最大模式下的阻尼力-范圍，即最大磁場狀態(tài)下的模型和求解結(jié)果。

4.1 建立三維流場有限元模型

圖3為流場有限元模型，文中建立1/4有限元模型，為減少計(jì)算時間，在滿足有限元計(jì)算精度要求前提下，單位體積的有限單元設(shè)置較大。由于流場運(yùn)動劇烈，減振器的核心工作區(qū)域——活塞節(jié)流孔，有限單元需要較小的單位體積。流-固耦合面上的網(wǎng)格均可以通過Adina軟件耦合計(jì)算，計(jì)算的收斂性即可提高。

圖3 流場有限元模型

4.2 建立三維固體有限元模型

如圖4所示，該模型包括活塞節(jié)流孔和活塞桿。文中建立1/4閥體模型，為保證流固耦合面密度相容性，單元劃分采用八節(jié)點(diǎn)六面體。

圖4 固體有限元模型

4.3 初始條件及邊界條件

利用隱式動態(tài)法進(jìn)行固體分析。如圖5所示，為確保仿真流場與真實(shí)環(huán)境的一致性，將100 mm振幅的正弦波載荷加于活塞桿，軟件中出口處壓力值默認(rèn)為零。

圖5 加載正弦波

5 減振器仿真分析

5.1 減振核心區(qū)域的流場分析

核心區(qū)域的流場對減振器的特性有至關(guān)重要的影響，這一部分的流場變化劇烈。

圖6為減振器壓力云圖。

圖6 減振器壓力云圖

由圖6可以看出，減振器在工作狀態(tài)下，活塞節(jié)流孔處壓力集中。由圖還可以看出，活塞節(jié)流孔明顯具有節(jié)流作用，流場壓力梯度分布明顯，說明仿真的有效性。

圖7為減振器流場速度流線圖。由圖可以看出，在節(jié)流孔處速度顆粒表現(xiàn)活躍，再次說明仿真具有真實(shí)性。

圖7 減振器流場速度流線圖

5.2 核心區(qū)域活塞節(jié)流孔特性分析

圖8為減振器活塞應(yīng)力云圖。由圖可以看出，活塞孔處及活塞本體受到的應(yīng)力變大，同時流場區(qū)域的壓力也在上升，使得活塞壁面受高速流體沖擊，造成湍流流動。

圖8 減振器活塞應(yīng)力云圖

5.3 減振器阻尼特性F-v對比

減振器阻尼力可調(diào)范圍是減振器特性的關(guān)鍵問題之一，本文仿真磁場最大時的阻尼力-特性曲線。圖9為減振器-特性曲線。由圖可以看出，其阻尼力比電磁閥半主動減振器范圍大，更有利于控制器對邊界條件的控制。

圖9 減振器F-v特性曲線

6 結(jié)束語

本文通過TRIZ理論的新型原理表和創(chuàng)新原理對電磁閥半主動減振器的阻尼力特性進(jìn)行全面分析，將其內(nèi)部的油液和閥系進(jìn)行改進(jìn)，得出一種新型磁流變液減振器。并利用流固耦合有限元分析的方法，建立固體和流體三維有限元模型，得到固體和流體的應(yīng)力和壓力云圖以及新型減振器最大阻尼力-特性曲線，并與電磁閥半主動減振器比較，阻力值范圍明顯增大。阻尼力可調(diào)節(jié)范圍外包絡(luò)曲線的增大，對車輛半主動懸架控制有極其重要的意義。文中的研究結(jié)果滿足了TRIZ創(chuàng)新理論對理想解的要求。