基于TRIZ理論的減振器流-固耦合特性仿真

張娜，于振環，楊坤，劉志遠

1.長春汽車工業高等?？茖W校機械工程學院，吉林長春 130011；2.長春汽車工業高等?？茖W校汽車工程學院，吉林長春 130011；3.一汽東機工減振器有限公司試驗中心，吉林長春 130013；4.哈爾濱工業大學控制科學與工程系，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，又稱為連續可變阻尼懸架控制系統，減振器的阻尼受電磁閥連續調節，以便適應復雜的路況，保持良好的操穩性。我國半主動懸架控制系統目前已經取得了很多成果，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，利用創新理論深入開展車輛減振器的改進研究具有重要的理論和實際意義。

1 TRIZ理論新型創新原理表

創新是發明在某企業進行商品化的開發，企業通過產品在市場中獲得了收益。找到系統當前的問題所在，通過創新方法將其達到理性狀態的過程，就是解決問題的實質。文中主要應用TRIZ創新理論中Matrix 2003的創新原理表以及所對應的40個創新原理。MANN于2003年提出新型矛盾矩陣Matrix 2003。利用該矩陣可以推導出出現頻率較高的創新法則，并將該法則應用到實際工程領域中，大大提高解決問題的效率。

在利用TRIZ理論新型創新原理表解決電磁閥半主動減振器的問題時，首先根據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；然后將預改善的問題轉化為TRIZ理論新型創新原理表的標準解，通過Matrix 2003表格，整理出出現頻率較高的發明原理序號；最后將發明創新原理應用到具體的系統中，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理論嵌套原理的應用

電磁閥半主動減振器受自身機械結構限制，可調阻尼力范圍小，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：應力或壓力以及可靠性。

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

表1 欲改善的工程特性對應的創新原理(一)

表2 TRIZ創新原理及其具體內容(一)

嵌套原理的應用設想：改變系統的物理狀態。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，液壓油的黏度系數也有較大變化，若黏度系數變化大，通過小孔的油液受到的阻力也變化，影響車輛行駛的穩定性，即該減振器可調阻尼力范圍小。磁流變液(magnetorheological fluid,MR)屬流動性可控的新型流體，是一種應用性較廣的智能材料。外部無磁場時，MR流體呈現低黏度物理特性；外加磁場時，轉化為高黏度、低流動性的物理特性。磁流變液具有轉換能耗低、易于控制以及響應迅速等特點，在毫秒級時間內從任意流動的液體突變為半固體或者固體，可控流變特性即可顯現出來。所以，根據嵌套理論的設想，將電磁閥半主動減振器內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理論機械替代及分離原理的應用

將電磁閥半主動減振器內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較大，將其置于閥系結構復雜的電磁閥半主動減振器內部，會導致閥系機械結構嚴重損傷并失效。

為了解決以上問題，文中提出欲改善的工程特性為：物質損失和系統的復雜性。

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

表3 欲改善的工程特性對應的創新原理(二)

表4 TRIZ創新原理及其具體內容(二)

機械系統替代原理和分離原理的應用設想：將電磁閥半主動減振器中的“干擾”部分——閥系分離出去，再設計一套新的機械系統進行替代，如圖2所示。

圖2 新型減振器閥系結構

此新型減振器內部為磁流變液流動液體，液體黏度系數可隨磁場強弱變化而變化，當磁場增加時，其黏度系數增加，液體流過活塞的節流孔后，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遠大于電磁閥半主動減振器油液系數，產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，擴大控制算法數學模型的邊界范圍，能夠提高車輛的操控穩定性。

3 新型減振器的有限元分析方法

3.1 流固耦合有限元數學模型

固體與流體之間的運動狀態，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方程和運動學方程。固體耦合邊界的運動學方程為

=

(1)

動力學條件為

=

(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;為流體應力;為固體應力。

利用運動學的條件，即可推導出以下條件

=

(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域進行仿真分析時，有3個關鍵性問題需要解決：

(1)流固耦合面上的相互作用力需準確傳遞。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。還要達到一定容差，設置的網格可以不完全一致。因此，為了確保在流固耦合面上準確傳遞作用力，在對MRD核心區域進行分析時，需采用如下處理方式：將處于流固耦合面上的流體節點位移與附近固體節點位移做插值，固體節點力通過對周圍流體應力積分求得，即

(4)

式中：為固體虛位移。

(2)固體變形引起流體網格移動的問題解決。這一問題的解決可以把歐拉方程導入ALE(arbitrary lagrangian euleria)。Adina軟件中的流固耦合邊界上，流體節點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點時，流體邊界的網格可人為控制。

(3)高效求解耦合系統。直接法和迭代法是Adina的兩種有效解法，進行動態分析時，流體和固體模型的積分點要求一致。為了對流-固模型分別求解，由于該模型的非線性特點，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;為應力松弛因子，0<≤1。

直接解法精確度很高，主要應用于計算量較小的非接觸瞬態模型。

4 閥系核心區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，即最大磁場狀態下的模型和求解結果。

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，為減少計算時間，在滿足有限元計算精度要求前提下，單位體積的有限單元設置較大。由于流場運動劇烈，減振器的核心工作區域——活塞節流孔，有限單元需要較小的單位體積。流-固耦合面上的網格均可以通過Adina軟件耦合計算，計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，單元劃分采用八節點六面體。

圖4 固體有限元模型

4.3 初始條件及邊界條件

利用隱式動態法進行固體分析。如圖5所示，為確保仿真流場與真實環境的一致性，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為零。

圖5 加載正弦波

5 減振器仿真分析

5.1 減振核心區域的流場分析

核心區域的流場對減振器的特性有至關重要的影響，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，減振器在工作狀態下，活塞節流孔處壓力集中。由圖還可以看出，活塞節流孔明顯具有節流作用，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，在節流孔處速度顆粒表現活躍，再次說明仿真具有真實性。

圖7 減振器流場速度流線圖

5.2 核心區域活塞節流孔特性分析

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

圖8 減振器活塞應力云圖

5.3 減振器阻尼特性F-v對比

減振器阻尼力可調范圍是減振器特性的關鍵問題之一，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 結束語

本文通過TRIZ理論的新型原理表和創新原理對電磁閥半主動減振器的阻尼力特性進行全面分析，將其內部的油液和閥系進行改進，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。阻尼力可調節范圍外包絡曲線的增大，對車輛半主動懸架控制有極其重要的意義。文中的研究結果滿足了TRIZ創新理論對理想解的要求。