磁流變液阻尼器在振動控制中的應(yīng)用

蔣 濤,張啟煥，劉 浩

（三江學(xué)院 ,南京 210012）

0 引言

磁流變液，通常被簡稱為：MR流體（Magnetorheological Fluid），是一種可以在外加磁場作用下流變特征發(fā)生巨大變化[1]的可控流體。作為新型智能材料的一種前景相當(dāng)廣泛。磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體，它在固液兩態(tài)之間可以進行毫秒級的快速可逆轉(zhuǎn)變，其粘度保持連續(xù)變化，可對其進行實時控制，耗能極小[2]。

提到振動，大家都不會陌生。不論是汽車還是火車，乃至是飛機，都會在運行過程中產(chǎn)生振動，從而降低乘客的舒適度，這種情況飛機尤其突出。這里面的振動是機械振動，也就是物體在平衡位置附近做出的往復(fù)運動。在精密機械加工技術(shù)領(lǐng)域，如果在通常的環(huán)境下進行工作，由于嚴重的振動干擾，工作就無法正常進行，精密定位變得無法實現(xiàn)?，F(xiàn)代建筑物高度不斷增長，尤其是越來越多的摩天大樓拔地而起，這使得建筑物受風(fēng)載荷后振動變得非常嚴重，另外，有可能發(fā)生的地震對建筑物也會有巨大的破壞作用[3]。

1 磁流變液阻尼器

磁流變液阻尼器的主要工作原理是通過改變磁場強度使阻尼器工作間隙中的磁流變液表觀粘度產(chǎn)生相應(yīng)的改變，從而使阻尼力發(fā)生改變[4]。勵磁線圈中電流大小的改變可以導(dǎo)致磁場強度的變化。

磁流變液阻尼器的工作模式有流動和剪切模式兩種，這種劃分是根據(jù)磁流變液在阻尼器里面的流動情況而來的。

處于流動模式時，兩極板被固定住，液體流動的動力是裝置里面的壓力差。如下：

在流動模式下，總壓力差約等于ΔPη與ΔPτ之和。ΔPη是與磁場無關(guān)的粘性分量，ΔPτ是磁場引起的屈服應(yīng)力分量，Q是體積流速，η是磁流變液的零磁場粘度，L是極板長度，ω是極板寬度，τy是施加的磁場強度引起的動屈服應(yīng)力。參數(shù)c的最小值為2，最大值為3。

在剪切模式的情況下，兩極板間會產(chǎn)生相對移動，從而引起剪切阻力，該阻力可表示為兩部分：

公式中的Fη表示粘性力分量，F(xiàn)τ表示屈服力分量，是磁場引起的。S表示兩極板間相對速度。

2 振動控制

從引言可知，嚴重的機械振動對各種結(jié)構(gòu)會造成損壞，會使人們產(chǎn)生不舒服的感覺，所以設(shè)法減小振動帶來的影響非常重要。所謂振動控制，就是指對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)或不穩(wěn)定性加以控制，將系統(tǒng)的振動水平控制在允許的范圍內(nèi)[5]。一般將振動控制方法分為主動控制、被動控制和半主動控制三種[6]。

主動控制是一種有源控制的方法，通過產(chǎn)生可控的次級力與擾動力相抵消，從而達到降低振動干擾的目的。目前，各種智能材料與結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于振動的主動控制中，智能材料與結(jié)構(gòu)通過傳感器、控制器與作動器的集成可以最大程度地與被控對象緊密結(jié)合，盡量減小對原有結(jié)構(gòu)的影響。

被動控制是指用隔振、吸振、耗能以及方式減小結(jié)構(gòu)的方法來降低振動，是無源控制的一種。其控制目標的達成大多是采用在結(jié)構(gòu)的某特定部位安裝某種裝置來達成的，經(jīng)常用于安裝的裝置是需要可以改變結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼的。

另有混合控制方法，叫做半主動控制。由于主動控制的結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，因此成本較高，尤其對于大型的結(jié)構(gòu)來說，想達到理想的控制效果需要非常大的作動力，因此實現(xiàn)起來非常困難；可是被動控制效果也是有很大局限性的，單獨的被動控制裝置基本上達不到理想效果，為了解決這些被人詬病的方面，人們嘗試用主動控制一些結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼等動態(tài)參數(shù)的方法來實現(xiàn)理想目標，也就是半主動控制。

3 磁流變液阻尼器在振動控制中的應(yīng)用

半主動控制方法與主動控制相比，具有耗能小，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，與被動控制相比，具有性能可以根據(jù)環(huán)境而改變，適應(yīng)性強的優(yōu)點。而磁流變液阻尼器正好是能夠輸出可控的阻尼力的器件，因此廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的半主動控制當(dāng)中。

奧迪、凱迪拉克等汽車公司已廣泛地將磁流變阻尼器應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動控制中，通過傳感器檢測行駛中的汽車運動的參數(shù)，實時地將信號傳送到控制器，由控制器控制磁流變液阻尼器以減小汽車行駛中的振動問題。

由于磁流變阻尼器具有阻尼力大，結(jié)構(gòu)簡單的突出優(yōu)點，被應(yīng)用于建筑與橋梁的結(jié)構(gòu)減振控制中，美國Lord公司專門為大型建筑所設(shè)計的磁流變液阻尼器的最大輸出阻尼力可達到200KN，可調(diào) 系數(shù)達到10[4]。

4 結(jié)論

嚴重的機械振動對各種結(jié)構(gòu)會造成損壞，會使人們產(chǎn)生不適的感覺，所以振動控制的研究有著非常重要的意義。耗能少，結(jié)構(gòu)簡潔，適用范圍廣，這些是半主動振動控制很顯而易見的優(yōu)勢。磁流變液阻尼器被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、橋梁建筑產(chǎn)業(yè)等。

[1]汪建曉,孟光. 磁流變液研究進展[J].航空學(xué)報,2002,23(01):6-12.

[2]王鴻云,鄭惠強,李泳鮮.磁流變液的研究與應(yīng)用[J].機械科學(xué)與技術(shù),2008,(05).

[3]周錫元,閻維明,楊潤林.建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動控制[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2002,(02).

[4]余昭. 磁流變液阻尼器負載建模與分析及驅(qū)動研究[D].重慶大學(xué),2013.

[5]劉旭輝.磁流變液阻尼減震器及其振動控制的研究[D].天津理工大學(xué),2005.

[6]季宏麗.智能結(jié)構(gòu)的自感知主動振動控制以及半主動振動控制的研究[D].南京航空航天大學(xué),2007.