2.2.2 试验设计分析

试验设计（Design of Experiment，DOE）通过合理安排试验方案，能够快速分析系统中关键因素以及各个因素之间的交互作用。使用最优拉丁超立方设计方法[20]，研究制动器几何尺寸对其制动力矩、响应时间和质量的影响权重，识别出影响三者的主导参数，以期减小优化搜索空间和获得最佳设计参数所需的时间，为后续磁流变液制动器的多目标优化设计提供基础。

在未达到磁饱和前提下，工作间隙磁感应强度越高，磁流变液制动器能够产生越大的制动力矩。采用上述DOE法讨论制动器结构尺寸参数对工作间隙磁感应强度、制动力矩、响应时间以及质量的贡献率，其试验因子可表示为

DOE法所涉及的设计变量的几何边界约束条件见表2.3。

表2.3 试验因子取值范围（单位：mm）

使用ISIGHT软件[21]与MATLAB、ANSYS软件集成，开展DOE联合仿真，其流程如图2.11所示。其中，在DOE模块中定义试验因子、设计矩阵、输出响应等操作，选择最优拉丁超立方算法，确定500个样本点进行DOE分析。

图2.11 DOE联合仿真流程图

在ISIGHT软件平台上，通过DOE法定量定性分析试验因子与输出响应之间的影响权重[22]，ISIGHT软件可输出Pareto图、交互效应图和主效应图用于分析试验结果。其中，Pareto图主要用于分析试验因子对输出响应的影响权重，因此选用Pareto图分析试验因子对磁流变液制动器质量、响应时间、工作间隙磁感应强度、制动力矩的影响权重。

图2.12为试验因子对输出响应的影响权重，其中，表示正响应、表示负响应，数值越大表示试验因子对输出响应的影响权重越高。由图2.12a可见，影响工作间隙磁感应强度的设计变量主要是R₂和R₄，两者对于磁感应强度的影响比分别为-44.13%、18.05%，而其余参数影响相对较小。工作间隙厚度b对磁感应强度的影响为负效应，即工作间隙磁感应强度随着b的增大而减小。设计变量R₁和R₃的影响权重最小，可忽略不计。因此，当需要增加工作间隙磁感应强度时，优先考虑减少R₂的值；由图2.12b可知，8个设计参数对制动器质量的影响均为正效应，其中影响最大的参数为L₂，其影响比为33.32%，而设计变量R₁、R₂、b的影响最小；图2.12c中，R₂、b对响应时间的影响为正效应，其余均为负效应，其中主要影响变量是R₂、R₄、R₁，其对响应时间的影响比分别为64.04%、-14.67%、-11.49%；由图2.12d可见，影响制动力矩的主要设计参数是R₂、R₄，其对制动力矩的影响比分别为-35.008%、20.884%。

综上所述，磁流变液制动器的结构参数对其质量、工作间隙磁感应强度、响应时间、制动力矩的影响存在耦合关系，并且上述四个输出响应之间也存在相互制约的关系，设计变量R₂对工作间隙磁感应强度、响应时间、制动力矩的影响比较大，而对质量的影响较小，设计变量R₁、b对四者的影响均比较小。

图2.12 试验因子对输出响应的影响权重