[論文レビュー] 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)|Sep 24, 2016

Vibration Control and Rheological Fluids被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、MATLAB/Simulinkを用いて、半車両モデルの車両サスペンション系における磁効応性流体ダンパー（MRダンパー）の非線形およびヒステリシス特性を、Bingham、Dahl、LuGre、Bouc-Wenの4つのモデルを提案・評価する。2種類の地形入力を用いたシミュレーションによる性能比較により、Bouc-Wenモデルが複雑なヒステリシス挙動を高い精度で捉えていることが示された。

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.

研究の動機と目的

• 車両サスペンション系における磁効応性流体ダンパー（MRダンパー）の非線形的およびヒステリシス的挙動を調査・比較すること。
• MATLAB/Simulinkを用いた半車両車両動力学におけるMRダンパーの数値シミュレーションモデルの開発および検証すること。
• 異なる地形由来の路面入力に対するモデルの性能を評価し、耐障害性および忠実度を検証すること。
• 特にヒステリシス効果を捉える上で、最も正確なモデルを同定すること。
• 今後のMRダンパーの制御および設計最適化のための包括的なシミュレーションフレームワークを提供すること。

提案手法

• MRダンパーの非線形的およびヒステリシス的力-速度特性を表現するため、4つの異なる数学的モデル（Bingham、Dahl、LuGre、Bouc-Wen）の実装。
• MRダンパーのモデルを路面入力励振と統合した、MATLAB/Simulink上での半車両サスペンションモデルの開発。
• 実際の道路状態を模倣するため、2種類の異なる地形プロファイルを入力励振として使用。
• 各モデルのダイナミクスを記述する微分方程式を解くために、Simulink内での数値積分法の適用。
• 各モデルのシミュレートされたダンパー力応答を、期待されるヒステリシス挙動および物理的妥当性と比較。
• 力-変位および力-速度ヒステリシスループの視覚的および定量的分析を通じて、モデルの正確性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bingham、Dahl、LuGre、Bouc-Wenモデルは、MRダンパーの非線形的およびヒステリシス的挙動をどの程度正確に表現できるか？
• RQ2 実際のMRダンパーのデータに観察される非対称的かつ速度依存的なヒステリシスを、どのモデルが最もよく捉えられるか？
• RQ3 異なる路面励振プロファイル下で、半車両サスペンション系における各モデルの性能はいかがなっているか？
• RQ4 同一の入力条件下で、各モデルの力応答特性に顕著な差異は生じるか？
• RQ5 Bouc-Wenモデルは、車両サスペンションの文脈において、最小限のパrameterチューニングで複雑なヒステリシスループを効果的にシミュレートできるか？

主な発見

• Bouc-Wenモデルは、実際のMRダンパーに観察される複雑で非対称的かつ速度依存的なヒステリシスを、最も正確に再現した。
• Binghamモデルは、理想化された降伏挙動に対して単純かつ有効ではあるが、実際のMRダンパーに見られる滑らかな遷移および非線形的飽和を捉えられなかった。
• DahlモデルはBinghamモデルに比べて非線形性が向上したが、高周波入力下では依然としてヒステリシス幅および非対称性を低く見積もっていた。
• LuGreモデルは実験的傾向と妥当な一致を示したが、粘性摩擦およびクーロン摩擦パラメータの精密なチューニングが求められた。
• シミュレーション結果から、Bouc-Wenモデルは測定データと非常に近いヒステリシスループを生成し、特に力-速度および力-変位平面上で優れた一致を示した。
• すべてのモデルの性能は入力励振の種別によって顕著に異なり、Bouc-Wenモデルはテストされた2つの地形プロファイルの両方で一貫した忠実度を維持した。