[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出并评估了多种非线性和迟滞模型——Bingham、Dahl、LuGre 和 Bouc-Wen——在 MATLAB/Simulink 中用于半车车辆悬架系统中的磁流变（MR）阻尼器。通过两种路面输入的仿真性能对比，表明 Bouc-Wen 模型能以高精度捕捉复杂的迟滞行为。

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.

研究动机与目标

• 研究并比较磁流变（MR）阻尼器在车辆悬架系统中的非线性和迟滞行为。
• 在 MATLAB/Simulink 中开发并验证 MR 阻尼器的数值仿真模型，用于半车车辆动力学研究。
• 在不同路面激励下评估模型性能，以评估其鲁棒性和保真度。
• 识别最能捕捉复杂 MR 阻尼器行为（尤其是迟滞效应）的模型。
• 为未来 MR 阻尼器的控制与设计优化提供全面的仿真框架。

提出的方法

• 实现四种不同的数学模型——Bingham、Dahl、LuGre 和 Bouc-Wen——以表征 MR 阻尼器的非线性和迟滞力-速度特性。
• 在 MATLAB/Simulink 中构建半车车辆悬架模型，将 MR 阻尼器模型与路面输入激励集成。
• 使用两种不同的路面轮廓作为输入激励，以模拟真实道路条件并评估模型响应。
• 在 Simulink 中应用数值积分技术求解各模型动力学所 governing 的微分方程。
• 将模拟的阻尼器力响应与预期的迟滞行为及物理合理性进行比较。
• 通过力-位移和力-速度迟滞回线的视觉与定量分析，验证模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bingham、Dahl、LuGre 和 Bouc-Wen 模型在多大程度上准确表征了 MR 阻尼器的非线性和迟滞行为？
• RQ2 哪种模型最能捕捉真实 MR 阻尼器数据中观察到的非对称性和速率相关迟滞？
• RQ3 在半车悬架系统中，不同模型在各种路面激励下的表现如何？
• RQ4 在相同输入条件下，各模型的力响应特性有何关键差异？
• RQ5 Bouc-Wen 模型是否能在车辆悬架背景下，通过最少的参数调整有效模拟复杂的迟滞回线？

主要发现

• Bouc-Wen 模型在表征 MR 阻尼器中观察到的复杂、非对称且速率相关的迟滞行为方面表现最为准确。
• Bingham 模型虽然简单且适用于理想化屈服行为，但未能捕捉真实 MR 阻尼器数据中观察到的平滑过渡和非线性饱和特性。
• Dahl 模型在非线性方面优于 Bingham 模型，但在高频输入下仍低估了迟滞宽度和非对称性。
• LuGre 模型与实验趋势有合理的一致性，但需要仔细调节粘性摩擦和库仑摩擦参数。
• 仿真结果表明，Bouc-Wen 模型产生的迟滞回线与实测数据高度吻合，尤其在力-速度和平面中表现突出。
• 所有模型的性能在不同激励类型下差异显著，而 Bouc-Wen 模型在测试的两种路面轮廓下均保持了稳定的保真度。