[논문 리뷰] Modeling and simulation of non-linear and hysteresis behavior of magneto-rheological dampers in the example of quarter-car model

Sulaymon Eshkabilov|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 24.

Vibration Control and Rheological Fluids인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 MATLAB/Simulink를 사용하여 반차량 차량 진동계에서 마그네틱 레오로지컬(MR) 댐퍼에 대해 비선형성과 히스테리시스 특성을 갖는 여러 모델—빙햄, 돌, 루그레, 부크-웬—을 제안하고 평가한다. 두 가지 노면 입력 조건 하에서 시뮬레이션 기반 성능 비교를 통해 부크-웬 모델이 높은 정확도로 복잡한 히스테리시스 행동을 가장 잘 반영함을 보여준다.

ABSTRACT

This paper presents reviews of several models and numerical simulation models of non-linear and hysteresis behaviors of magneto-rheological liquid dampers in MATLAB/Simulink in the example of quarter-car model of vehicle suspension simulation, such as, Bingham, Dahl, LuGre and Bouc-Wen models. In addition, it demonstrates numerical simulation models built in MATLAB/Simulink and discusses results from numerical simulation models for two different input excitations from terrain.

연구 동기 및 목표

• 자동차 진동계에서 마그네틱 레오로지컬(MR) 댐퍼의 비선형성과 히스테리시스 행동을 조사하고 비교하는 것.
• 반차량 자동차 동역학에 활용하기 위한 MATLAB/Simulink에서 MR 댐퍼의 수치 시뮬레이션 모델을 개발하고 검증하는 것.
• 다양한 노면 유도 도로 진동 조건 하에서 모델 성능을 평가하여 내구성과 정확도를 분석하는 것.
• 특히 히스테리시스 효과를 잘 반영할 수 있는 가장 정확한 모델을 규명하는 것.
• 미래의 제어 및 설계 최적화를 위한 MR 댐퍼에 대한 종합적인 시뮬레이션 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• MR 댐퍼의 비선형성과 히스테리시스 힘-속도 특성을 표현하기 위해 빙함, 돌, 루그레, 부크-웬 모델을 각각 적용한 수학적 모델 4종의 구현.
• MATLAB/Simulink에서 MR 댐퍼 모델을 도로 입력 진동과 통합한 반차량 자동차 진동계 모델 개발.
• 실제 도로 조건을 시뮬레이션하고 모델 반응을 평가하기 위해 두 가지 다른 노면 프로파일을 입력 진동으로 사용.
• 각 모델의 동역학을 지배하는 미분방정식을 해결하기 위해 Simulink 내에서 수치 적분 기법 적용.
• 모의된 댐퍼 힘 반응을 실제 히스테리시스 행동과 물리적 타당성과 비교.
• 힘-변위 및 힘-속도 히스테리시스 루프의 시각적 및 정량적 분석을 통해 모델 정확도 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빙함, 돌, 루그레, 부크-웬 모델이 MR 댐퍼의 비선형성과 히스테리시스 행동을 얼마나 정확하게 표현하는가?
• RQ2 실제 MR 댐퍼 데이터에서 관찰되는 비대칭성과 속도 의존성 히스테리시스를 가장 잘 반영하는 모델은 무엇인가?
• RQ3 다양한 도로 진동 프로파일 하에서 반차량 진동계에서 각 모델의 성능은 어떻게 나타나는가?
• RQ4 동일한 입력 조건 하에서 각 모델 간의 힘 반응 특성에 나타나는 주요 차이는 무엇인가?
• RQ5 부크-웬 모델은 차량 진동계 환경에서 복잡한 히스테리시스 루프를 최소한의 매개변수 조정으로 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 부크-웬 모델은 MR 댐퍼에서 관찰되는 복잡하고 비대칭적이며 속도 의존적인 히스테리시스를 가장 정확하게 반영하였다.
• 빙함 모델은 이상화된 항복 행동에 효과적이지만, 실제 MR 댐퍼 데이터에서 관찰되는 부드러운 전이와 비선형 포화 행동을 포착하지 못했다.
• 돌 모델은 빙함 모델 대비 비선형성은 향상되었지만, 고주파 입력 조건에서 히스테리시스 폭과 비대칭성을 여전히 과소평가하였다.
• 루그레 모델은 실험적 경향과 합리적인 일치를 보였지만, 점성 및 쿨롱 마찰 매개변수의 정밀한 조정이 필요하였다.
• 시뮬레이션 결과는 부크-웬 모델이 특히 힘-속도 및 힘-변위 평면에서 측정된 데이터와 매우 유사한 히스테리시스 루프를 생성함을 보여주었다.
• 모든 모델의 성능은 입력 진동 조건에 따라 크게 달라졌으며, 부크-웬 모델은 테스트한 두 가지 노면 프로파일 모두에서 일관된 정확도를 유지하였다.