高耗能自解耦式MR阻尼器的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)?

于國軍, 杜成斌, 萬發(fā)學(xué)

(河海大學(xué)工程力學(xué)系 南京,210098)

引 言

MR阻尼器是采用磁流變智能材料制作的一種智能控制裝置,其最大優(yōu)勢是可以與計(jì)算機(jī)結(jié)合,根據(jù)土木建筑結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)主動地調(diào)節(jié)自身參數(shù),使結(jié)構(gòu)振動智能控制的效果最佳。目前,國內(nèi)、外對MR阻尼器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)展開了一系列的研究。Yang[1]研制出 200 kN的足尺 MR阻尼器并對其性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Spercer等[2]將Sanw a Tekki公司研發(fā)的最大阻尼力 400 kN的 MR阻尼器應(yīng)用于日本Keio大學(xué)的一棟隔震居住建筑上。歐進(jìn)萍等[3]將自行研發(fā)的 MR阻尼器應(yīng)用于山東濱洲黃河大橋斜拉索的風(fēng)雨振動的控制中;鄔華[4]利用 MR阻尼器對斜拉索進(jìn)行了半主動控制研究;李忠獻(xiàn)等[5-6]設(shè)計(jì)并研究了 MR阻尼器的性能。

到目前為止,高耗能 M R阻尼器還沒有得到廣泛應(yīng)用,主要是因?yàn)?MR阻尼器仍有一些關(guān)鍵問題沒有解決,其中包括磁流變液的沉降穩(wěn)定性問題、高耗能MR阻尼器的設(shè)計(jì)及制作上的技術(shù)問題。現(xiàn)有MR阻尼器以線性振動結(jié)構(gòu)為控制對象進(jìn)行設(shè)計(jì),對于非線性較弱的情況減振效果明顯;而大量的實(shí)際結(jié)構(gòu)往往存在較強(qiáng)的非線性,因此,考慮非線性結(jié)構(gòu)振動在內(nèi)的阻尼器設(shè)計(jì)方法成為重要的研究內(nèi)容。在工程應(yīng)用研究中,常用磁流變液阻尼器去解決常規(guī)被動阻尼器也能解決的結(jié)構(gòu)振動控制問題,體現(xiàn)不出MR阻尼器智能控制的優(yōu)勢。為此,筆者提出的阻尼器具有主、副兩個(gè)活塞,并可根據(jù)被控結(jié)構(gòu)位移大小進(jìn)行阻尼力解耦,具有高耗能的特性,重點(diǎn)研究了高耗能阻尼器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)、阻尼器的性能試驗(yàn)及力學(xué)模型的參數(shù)識別。

1 MR阻尼器的設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)剪切閥式 MR阻尼器的阻尼力的計(jì)算公式[7]為

其中:Ap為阻尼器活塞的有效工作面積;D為活塞直徑;Lm為磁流變液工作區(qū)域的有效長度;h為工作間隙寬度;fy為磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度。

式(1)可看作兩項(xiàng),第1項(xiàng)反映普通流體的黏滯特性,稱之為黏滯阻尼力;第2項(xiàng)為庫侖阻尼力,是M R阻尼器的可調(diào)阻尼力,反映了 MR阻尼器特殊的電控特性。

2 高耗能自解耦式MR阻尼器的設(shè)計(jì)

對于大多數(shù)土木工程應(yīng)用而言,利用單一活塞的阻尼器作為主動、半主動控制系統(tǒng)的作動裝置缺少足夠的安全性、節(jié)能性和實(shí)用性。其具有以下缺陷:a.傳統(tǒng) MR阻尼器在遭遇高頻、小振幅情況時(shí)易出現(xiàn)剛度硬化現(xiàn)象;b.土木工程結(jié)構(gòu)受地震、風(fēng)振影響時(shí),傳統(tǒng) MR阻尼器一般都可以在結(jié)構(gòu)振動彈性范圍(小位移)內(nèi)發(fā)揮作用,但是結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性振動,即發(fā)生塑性變形(大位移)時(shí),如果沒有足夠的阻尼力儲備,進(jìn)入塑性階段直至發(fā)生破壞,因?yàn)椴荒茈S著位移的增大而提供出大阻尼力,此時(shí)阻尼器不具備必要的安全保障功能;c.土木工程結(jié)構(gòu)受地震、風(fēng)載荷影響,需要控制裝置發(fā)揮作用時(shí)間相對于無控時(shí)間極短,致使磁流變液成分中固態(tài)相顆粒沉降穩(wěn)定性差,由此帶來器件工作不穩(wěn)定;d.當(dāng)利用 MR阻尼器作為其控制裝置的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),MR阻尼器只具備單一的阻尼性能[8],由于磁流變流體的黏度低,根本不具備普通被動油壓減振器的阻尼調(diào)節(jié)功能,此時(shí) MR阻尼器就起不到應(yīng)有的減振作用,安全性大大降低;e.當(dāng) MR阻尼器發(fā)揮可調(diào)被動功能時(shí),仍需消耗半主動控制系統(tǒng)的能量。

為此,設(shè)計(jì)了一種高耗能自解耦式MR阻尼器,其實(shí)物如圖 1所示。

圖1 高耗能自解耦式M R阻尼器實(shí)物圖

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高耗能自解耦式 M R阻尼器在常遇地震與高頻、小振幅風(fēng)載荷情況下,具有小阻尼、低動剛度的特性,從而克服了傳統(tǒng) MR阻尼器出現(xiàn)的剛度硬化現(xiàn)象。在罕遇地震即低頻、大振幅時(shí),自解耦式 MR阻尼器由于主、副活塞均發(fā)揮作用,比傳統(tǒng) MR阻尼器具有更大阻尼力和高耗能的特性,并具有位移控制的優(yōu)勢。高耗能自解耦式M R阻尼器的活塞部分包括主活塞、副活塞,主、副活塞之間通過解耦機(jī)制相連。本設(shè)計(jì)主要針對建筑結(jié)構(gòu),根據(jù)樓層彈塑性層間位移角限值和彈性層間位移角限值的約束條件,確定所設(shè)計(jì)的阻尼器大、小位移為60和5 mm,經(jīng)過設(shè)計(jì)程序的反復(fù)調(diào)整,確定其他最終主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

2.2 磁路設(shè)計(jì)

磁路設(shè)計(jì)是 MR阻尼器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,磁路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到阻尼器的性能。如導(dǎo)磁、隔磁、永磁材料的選擇、導(dǎo)線類型、線圈窗口尺寸、磁極個(gè)數(shù)、阻尼通道間隙、阻尼通道有效長度等[9]。Gavin等對多階段活塞上線圈的激勵磁場進(jìn)行了初步研究。關(guān)新春[10]對3階活塞線圈的勵磁特性進(jìn)行了試驗(yàn)及理論分析。杜修力等[11]設(shè)計(jì)了3階段活塞的逆變型 MR阻尼器。

高耗能自解耦式 MR阻尼器磁路的基本原理是:在主活塞的磁路部分同時(shí)設(shè)置勵磁線圈和永磁體,由勵磁磁場與永久磁場組成復(fù)合磁路,線圈采用內(nèi)繞方式,兩線圈并聯(lián),線圈通電后產(chǎn)生的磁場對永磁體在阻尼通道中的磁場有增加或削減的能力(線圈產(chǎn)生的磁場方向和永磁體產(chǎn)生的磁場方向一致時(shí)在阻尼通道中的總磁場增大;反之減小)。這樣可以通過改變線圈電流大小和方向來實(shí)時(shí)改變阻尼通道中的磁場強(qiáng)度的大小,即可得到可控的阻尼力。在副活塞中只設(shè)置永磁體,由永磁體提供磁場,由于主、副活塞中永磁體的設(shè)置,給整個(gè)主缸體內(nèi)的磁流變液提供了穩(wěn)定磁場,通過控制兩側(cè)銅制隔磁板的厚度可保證每個(gè)活塞左右缸體中的磁場強(qiáng)度在 10～100 m T,從而有利于降低磁流變液的沉降和團(tuán)聚,在結(jié)構(gòu)形式上提高了磁流變液的穩(wěn)定性。在線圈和永磁體外壁分別設(shè)置銅制隔磁環(huán),可有效防止磁漏,并保證了阻尼通道在各磁極部分的磁場均勻且方向與阻尼器軸線垂直,提高磁場利用率。此外,通過銅制隔磁環(huán)的設(shè)置可使線圈、永磁體避免與磁流變液的長期接觸而腐蝕,從而提高了阻尼器的耐久性。其磁力線分布如圖 3所示。

表1 高耗能自解耦式MR阻尼器的主要性能設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 高耗能自解耦式M R阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 高耗能自解耦式M R阻尼器磁力線分布圖

3 自解耦式MR阻尼器的性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證高耗能自解耦式 MR阻尼器設(shè)計(jì)方法的合理性,并對該M R阻尼器的性能進(jìn)行測評,筆者在電液伺服動靜試驗(yàn)機(jī)(SDS-300)上對其進(jìn)行了性能試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移控制方法,輸入正弦波曲線,試驗(yàn)工況為不同頻率下的簡諧振動,循環(huán)次數(shù)為 10次,試驗(yàn)系統(tǒng)如圖 4所示。測試頻率從 0.1～ 2.5 Hz,振幅為 5和 60 mm,共組合出 7個(gè)大工況,以及 7個(gè)大工況下的 63個(gè)小工況(同一頻率、振幅下改變電流的大小)。以下選取了4個(gè)典型頻段的試驗(yàn)結(jié)果曲線進(jìn)行分析。

在試驗(yàn)過程中,勵磁線圈的電流從 0依次經(jīng)歷-1.0 A和-2.0 A兩個(gè)過程時(shí),隨著反向電流的增大,勵磁線圈產(chǎn)生的反向磁場對永磁體所產(chǎn)生的永久磁場的削弱能力增強(qiáng),使得阻尼器所提供的阻尼力依次減小。勵磁線圈的電流從0依次經(jīng)歷1.0 A和 2.0 A兩個(gè)過程時(shí),隨著正向電流的增大,勵磁線圈產(chǎn)生的磁場和永磁體所產(chǎn)生的永久磁場疊加,阻尼通道中的磁場強(qiáng)度增強(qiáng),使得阻尼器所提供的阻尼力依次增大。由采集的數(shù)據(jù)可以看出,阻尼力的大小是沿著理論上預(yù)先設(shè)計(jì)的方向變化的。圖 5中阻尼力-位移關(guān)系曲線表示了以上的變化關(guān)系。

圖4 自解耦式M R阻尼器試驗(yàn)安裝圖

對于振幅為60 mm的測試工況,重點(diǎn)研究了MR阻尼器在0.1 Hz下阻尼性能;對于振幅為5 mm的測試工況,重點(diǎn)研究了MR阻尼器在0.1,1和2.5 Hz下的阻尼性能。由圖5可以得到以下信息:

1)由于電液伺服動靜試驗(yàn)機(jī)最大輸出力為 300 kN,為了能夠說明所制作的阻尼器能產(chǎn)生 360 kN的最大輸出力,結(jié)合圖 5(a)的阻尼力-位移關(guān)系曲線,將理論結(jié)果與能測試到的試驗(yàn)結(jié)果的最大值進(jìn)行比較,如圖6所示。結(jié)果表明,理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)果最大值相差不到5%,說明高耗能自解耦式M R阻尼器完全能夠達(dá)到最大輸出力 360 kN。在與圖5(b～ d)阻尼器小位移情況下的阻尼力-位移關(guān)系曲線比較可以看出,阻尼器在大位移時(shí)的最大輸出力是小位移情況下最大輸出力的兩倍,具備足夠的安全儲備,滿足設(shè)計(jì)要求。

2)由圖 5(a)的阻尼力-位移關(guān)系曲線可以看出,實(shí)測阻尼力結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果最大值相差較小,所制作的阻尼器最大阻尼力滿足設(shè)計(jì)要求。由于應(yīng)用在振動控制系統(tǒng)中的 MR阻尼器具有抑制位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)的優(yōu)勢,所以當(dāng)結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)與位移響應(yīng)方向相反時(shí),速度本身就起到減小結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的作用,此時(shí)如果阻尼力抑制了速度響應(yīng),實(shí)際反而放大了位移響應(yīng)。M R阻尼器具有阻尼力與速度無關(guān)、可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。高耗能自解耦式 MR阻尼器在大位移情況下,由于解耦機(jī)制本身短行程的存在,當(dāng)阻尼力方向與位移方向相反時(shí),滯回曲線在-60～-44 mm和 44～60 mm兩個(gè)階段存在凹陷,這對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制是有利的。

圖5 自解耦式 M R阻尼器的阻尼力性能曲線

圖6 阻尼器外加電流時(shí)阻尼力理論與試驗(yàn)值關(guān)系比較

3)由圖 5(b～ d)的阻尼力-位移關(guān)系曲線可以看出,在小位移 (均為5 mm振幅)情況下,解耦機(jī)制對磁流變滯回曲線影響明顯:當(dāng)阻尼力方向與位移方向相反時(shí),滯回曲線在這兩個(gè)階段的阻尼力很小,達(dá)到了阻尼器設(shè)計(jì)的目的,更適用于土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制系統(tǒng)。滯回曲線存在傾斜,這是由于解耦機(jī)制中的蝶形彈簧出力疊加在磁流變阻尼力上。

4)從阻尼器的耗能能力,即阻尼力-位移曲線包含的面積可以看出,其耗能性能隨著控制電流、頻率的增大而增加,高耗能自解耦式 MR阻尼器的耗能能力較好。在小位移情況下,最大、最小阻尼力的比值為5.1,說明MR阻尼器具有較高的阻尼力可調(diào)系數(shù)倍數(shù),性能較好。

4 阻尼器力學(xué)模型及參數(shù)識別

4.1 基于反正切函數(shù)的MR阻尼器模型

國內(nèi)、外很多專家在這方面進(jìn)行了深入研究,取得了一定進(jìn)展[12]。MR阻尼器的參數(shù)化模型雖然多種多樣,而且有些能很精確地模擬阻尼器的動態(tài)特性,但卻無法直接反映阻尼器的逆向動態(tài)特性[13]。根據(jù)己有的研究結(jié)果,提出了一種既簡化又能與實(shí)際相符合的基于反正切函數(shù)的力學(xué)模型。依據(jù)此模型,阻尼器輸出的阻尼力可表示為

所需識別的參數(shù)有 6個(gè),可以根據(jù) MR阻尼器的試驗(yàn)結(jié)果,采用參數(shù)識別的方法來識別上述表達(dá)式中的所有參數(shù),建立力學(xué)模型。

4.2 模型參數(shù)識別

參數(shù)識別問題一般可采用非線性的最小二乘方法,筆者對 MR阻尼器的參數(shù)識別采用阻尼最小二乘法。其基本算法思想為:選取初始參數(shù)以及允許誤差,進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)函數(shù)(殘差平方和)和觀測矩陣,求出初始參數(shù)修正值,在新的參數(shù)條件下再次計(jì)算目標(biāo)函數(shù),如此反復(fù)計(jì)算,直到找出最小的目標(biāo)函數(shù)值條件下的參數(shù),即為實(shí)際的參數(shù)值。

根據(jù)此方法,選取試驗(yàn)中的一組數(shù)據(jù),其中激勵振幅為60 mm,頻率為0.1 Hz,識別基于反正切函數(shù)的力學(xué)模型的6個(gè)參數(shù),其識別結(jié)果如表2所示。根據(jù)識別的結(jié)果得到如圖7所示的M R阻尼器的理論滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線的比較關(guān)系圖,從圖中可以看出,理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好,因此該參數(shù)識別方法是可行和有效的。

表2 阻尼器的動力模型參數(shù)

圖7 基于反正切函數(shù)的 M R阻尼器模型理論值和試驗(yàn)值的比較

5 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)并加工制作了最大輸出力達(dá) 360 kN的高耗能自解耦式 MR阻尼器,阻尼器的活塞部分包括主、副兩個(gè)活塞,二者之間通過解耦機(jī)制相連。性能測試結(jié)果表明,解耦機(jī)制對阻尼性能影響明顯,阻尼器在大位移時(shí)的最大輸出力是小位移時(shí)最大輸出力的兩倍,具備足夠的安全儲備,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

2)高耗能自解耦式 MR阻尼器的結(jié)構(gòu)、磁路的關(guān)鍵技術(shù)研究可為大噸位M R阻尼器的設(shè)計(jì)和制作提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考,為應(yīng)用 MR阻尼器的土木建筑結(jié)構(gòu)的非線性振動控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)基于反正切函數(shù)的力學(xué)模型并利用最小二乘法可以有效識別 MR阻尼器的模型參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)理論識別的參數(shù)模擬的滯回曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

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