磁流變阻尼器在船舶減振降噪中的應(yīng)用

田雷

摘 要：磁流變阻尼器通過(guò)提供運(yùn)動(dòng)阻力、減少運(yùn)動(dòng)耗能的裝置，在航天航空、土木工程、汽車制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用。將磁流變阻尼器應(yīng)用在傳播減震降噪系統(tǒng)中，能提高船舶減震水平、延長(zhǎng)船的使用周期、確保船員安全。該文主要闡述了磁流變液、磁流變阻尼器的原理、在船舶中減振降噪的具體應(yīng)用并探討了磁流變阻器未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：磁流變阻尼器 船舶 減振降噪

中圖分類號(hào)：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（a）-0106-02

船舶在航行過(guò)程中，受到水的阻力，所以船身會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象，振動(dòng)不僅會(huì)影響船體本身的構(gòu)造，影響船上的設(shè)備和儀器的正常工作，而且船體發(fā)生的振動(dòng)會(huì)影響船員工作效率，長(zhǎng)期還會(huì)影響船員的身體健康，所以船舶減振降噪關(guān)系到航行安全。當(dāng)前船舶上大多使用橡膠墊、彈簧等彈性減振元件，這些減振元件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中抑制船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而達(dá)到減振作用。這種減振設(shè)備經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，但缺乏一定的靈活性。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大量新技術(shù)和新材料引用在造船業(yè)，這為船舶減振系統(tǒng)改進(jìn)提供了技術(shù)支持。因此研究工作效率更高、效果更好的減振降噪設(shè)備，對(duì)提高船舶振動(dòng)控制水平的提高具有重要意義。

1 磁流變液

磁流變液由低磁滯性、高磁導(dǎo)性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成，是一種可控流體。這種物質(zhì)在零磁場(chǎng)的環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)低粘度的牛頓流體特性；在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)高粘度、低流動(dòng)性的特性。所以它能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)和固態(tài)的可逆轉(zhuǎn)化，通過(guò)改變磁場(chǎng)條件，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。因此，磁流變液具有良好的力學(xué)性，通過(guò)用電就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的控制，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的智能材料。國(guó)外對(duì)磁流變液的研究比較早，減少旋螺槳不平衡氣流引起的振動(dòng)，英國(guó)一家公司將磁流變體用在飛行器的隔離系統(tǒng)中，從而減少振動(dòng)對(duì)飛機(jī)雷達(dá)和儀表的影響。1995年第五屆國(guó)際電磁流變會(huì)上，美國(guó)的Lard公司在現(xiàn)場(chǎng)展示了自制的磁流變液，并將其應(yīng)用在軍工領(lǐng)域，將磁流變液研制的吸振裝置安裝在M551坦克上，減少道路不平衡影響炮擊的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，磁變流材料已經(jīng)成為具有多種形態(tài)的物質(zhì)，其中包括磁流變液、磁流變彈性體、磁流變泡沫等物質(zhì)。

2 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器是通過(guò)磁流變液加工制造的一種阻尼減震裝置，將磁流變阻尼器安裝在減震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，它能根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況，按照控制規(guī)則自動(dòng)調(diào)整阻尼器的阻尼，從而減少振動(dòng)帶給物體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)作用。由磁流變液加工制作而成的阻尼器有3種工作模式：剪切模式、壓力驅(qū)動(dòng)模式、積壓流動(dòng)模式。剪切模式是利用兩磁極一極運(yùn)動(dòng)，讓磁流變液產(chǎn)生剪切流動(dòng)形成的阻尼；壓力驅(qū)動(dòng)模式是通過(guò)壓力驅(qū)動(dòng)磁流變流流動(dòng)產(chǎn)生的阻尼；擠壓流動(dòng)模式，是通過(guò)兩磁極相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻尼。這3種工作模式應(yīng)用最多的是壓力驅(qū)動(dòng)模式，這種模式下的阻尼器設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，而且產(chǎn)生的阻尼大，因此阻尼器制造技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟。磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)與普通的油缸流體阻尼器的結(jié)構(gòu)差不多，當(dāng)缸體和活塞進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼器的磁流變液受到壓力，通過(guò)缸體與活塞的縫隙從活塞的一端流向另外一端，在經(jīng)過(guò)縫隙的過(guò)程中，磁流變液會(huì)隨著磁場(chǎng)變化的強(qiáng)度發(fā)生剪切強(qiáng)度的變化。利用這個(gè)特性，可以調(diào)節(jié)纏繞在活塞上的勵(lì)磁線圈電流大小，從而改變間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，調(diào)節(jié)磁流液體的阻力。磁流變液阻尼器能耗低、響應(yīng)速度快、價(jià)格便宜、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)順逆調(diào)節(jié)，便于與微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，所以廣泛應(yīng)用在建筑、機(jī)械、汽車、航空等領(lǐng)域。

3 磁流變阻尼器在船舶減振降噪的應(yīng)用

傳統(tǒng)的被動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)下海洋航行的環(huán)境，而主動(dòng)控制技術(shù)投資規(guī)模大，所以很難大面積進(jìn)行推廣。但是目前關(guān)于磁流變阻器在船舶中的實(shí)際工程中，需要結(jié)合船舶的特點(diǎn)，研制適合船舶低頻振動(dòng)的智能減振裝置。船用磁流變智能阻尼器由磁流變彈性體、殼體、電磁線圈、鐵芯構(gòu)成。磁流變彈性體將鐵芯與殼體進(jìn)行連接，線圈固定在鐵芯上，殼體、鐵芯以及磁流變彈性體三者都為圓柱體，并共圓心，鐵芯有四翼，對(duì)應(yīng)四組電磁線圈，每組線圈纏繞在鐵芯的翼上。磁流變智能電阻器電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)鐵芯的四個(gè)翼、殼體以及磁流變彈性體形成回路，改變電磁線圈電流的大小就可以調(diào)節(jié)磁流變彈性體的剪切力，從而達(dá)到電磁線圈電流強(qiáng)度控制阻尼器出力大小的作用。與現(xiàn)狀的磁流變減振設(shè)備相比，船用磁流變智能電阻器具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：第一，它能根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁線圈中的電流大小，從而改變磁流變彈性體的剛度和阻力，實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制。第二，磁線圈纏繞的方式比較獨(dú)特，是沿著圓柱體的母線進(jìn)行纏繞，這樣能夠減少磁場(chǎng)傳遞時(shí)能量損耗。第三，磁流變彈性體和鐵芯用扇形進(jìn)行連接，阻尼器的出力大小與接觸面積呈線性關(guān)系，而扇形的連接方式增加了兩者的接觸面積、增加了阻尼器的出力。船舶結(jié)構(gòu)在作用力下，振動(dòng)響應(yīng)比較復(fù)雜，存在很多共振高峰，而通過(guò)改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量或者剛度避開(kāi)共振峰是很難的，且改變結(jié)構(gòu)的尺寸和厚度會(huì)影響船舶自身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，通過(guò)磁流變智能阻尼器可以實(shí)現(xiàn)減振降噪功能。當(dāng)船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量迅速傳遞給阻尼材料，從而引起阻尼內(nèi)部的振動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)，由于阻尼結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)部摩擦非常大，所以船舶結(jié)構(gòu)相當(dāng)一部分的能量就被消耗掉了，從而達(dá)到降低結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)程度、達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度和噪聲的目的。

4 磁流變阻尼器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

由于磁流變阻尼器剛度好、響應(yīng)快、阻尼可調(diào)、可逆性好，又具有彈性體和磁流變材料的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在減振工程中。由于主動(dòng)控制的成本比較高，大部分的研究都是針對(duì)半自動(dòng)化控制方面。然而在實(shí)際應(yīng)用中，磁流變阻尼器控制系統(tǒng)具有一定的滯后性，所以一定程度上影響了控制系統(tǒng)的性能，磁流變阻尼器的安裝位置以及數(shù)量都會(huì)影響減振效果，因此，磁流變阻尼器在裝置上的結(jié)構(gòu)振動(dòng)布置還需要進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。近年來(lái)，隨著海洋事業(yè)的發(fā)展，很多國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者投入大量的時(shí)間和精力研究磁流變阻尼器在船舶工程中的應(yīng)用，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)上面，取得了一定的成果。比如，姚熊亮根據(jù)MR船用的減振沖擊隔離器進(jìn)行了相關(guān)的研究，楊萬(wàn)慶的屋蓋MR智能隔離系統(tǒng)以及武漢理工大學(xué)徐建維教授等基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)MR智能半主動(dòng)控制技術(shù)的研究做出了升船機(jī)地震鞭梢效應(yīng)。然而這些還只停留在研究和試驗(yàn)階段，還沒(méi)有真正將其應(yīng)用在實(shí)際工程中。與國(guó)外關(guān)于磁流變阻尼器的研究和技術(shù)相比，還存在很大的差距。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，極大地推進(jìn)了電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。磁流變阻尼器作為一種智能控制器，未來(lái)具有廣闊的發(fā)展前景，但是目前我國(guó)的磁流變阻器的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備還不夠成熟，還需要進(jìn)一步研究。

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