磁流變阻尼器動態(tài)特性研究

杜 奎 施 亮 朱若寒

1海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033

2海軍工程大學(xué) 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033

3通信指揮學(xué)院 軍事高技術(shù)教研室，湖北 武漢 430010

磁流變阻尼器動態(tài)特性研究

杜 奎1施 亮2朱若寒3

1海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033

2海軍工程大學(xué) 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033

3通信指揮學(xué)院 軍事高技術(shù)教研室，湖北 武漢 430010

為更好地研究磁流變阻尼器應(yīng)用于艦船設(shè)備抗沖擊的控制方法，需要準確、全面了解其動態(tài)力學(xué)特性。對磁流變阻尼器的動態(tài)特性進行試驗研究，詳細討論速度、振幅、頻率、電流等各個因素對阻尼力的影響。結(jié)果表明，在低速區(qū)域阻尼器的阻尼力以不可控的粘滯阻尼力為主，阻尼力隨速度的變化明顯；在高速區(qū)域，阻尼力以磁流變液屈服引起的庫侖阻尼力為主，阻尼力隨速度的變化不大，而主要決定于控制電流，但是隨著電流的增大，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；振幅和頻率主要影響磁流變阻尼力的粘滯阻尼力，隨頻率和振幅的增加，速度的變化范圍也明顯增大，但是在相同的速度下，頻率和振幅對阻尼力的影響不明顯。為進一步獲得磁流變阻尼器動態(tài)特性參數(shù)及研究艦船設(shè)備抗沖擊半主動控制方法提供了重要依據(jù)。

磁流變阻尼器；阻尼力；動態(tài)特性

1 引言

磁流變阻尼器由于其阻尼力可控、動態(tài)范圍廣、可實現(xiàn)連續(xù)變化、響應(yīng)速度快（可達毫秒級）、裝置簡單、體積小、能耗小等一系列的優(yōu)點，成為結(jié)構(gòu)半主動控制的理想元件。

目前對磁流變阻尼器的研究主要集中在汽車、機械裝置、橋梁以及土木建筑等領(lǐng)域［1－4］。 若將其應(yīng)用于艦船動力裝置及設(shè)備的沖擊隔離，對于提高艦船抗沖擊水平，提高艦船安全性、生命力及戰(zhàn)斗力方面具有重要作用。

為更好地研究磁流變阻尼器應(yīng)用于艦船設(shè)備抗沖擊的控制方法，需要準確、全面了解其動態(tài)力學(xué)特性。本文通過對磁流變阻尼器進行動態(tài)力學(xué)特性實驗，得到了一系列的阻尼器性能曲線。根據(jù)實驗結(jié)果，分析了阻尼力與各影響因素之間的關(guān)系，得到了一些有益的結(jié)論，為進一步獲得磁流變阻尼器動態(tài)特性參數(shù)［5－6］及研究艦船設(shè)備抗沖擊半主動控制方法提供了重要依據(jù)。

2 磁流變阻尼器類型及結(jié)構(gòu)

磁流變阻尼器的類型主要有剪切式、閥式（即流動模式）、剪切閥式以及擠壓式等幾種形式，最常見的是剪切閥式的磁流變液阻尼器，它是剪切模式和流動模式的組合，兼有剪切模式和流動模式的優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)簡單、磁路設(shè)計比較方便、出力大等優(yōu)良特性，應(yīng)用和研究最廣。

磁流變阻尼器根據(jù)是否具有內(nèi)、外兩個磁流變液缸分為單管式、雙管式，此外根據(jù)活塞桿的伸出液缸的數(shù)量分為單出桿式和雙出桿式。單管式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊，而且安裝方向不受限制，所以是應(yīng)用最普遍的一種結(jié)構(gòu)形式。本文采用的是單管單出桿式磁流變阻尼器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁流變阻尼器有一個磁流變液容器和一個補償器機構(gòu)來補償由于活塞桿運動帶來的體積變化。受液器活塞提供磁流變液和壓縮氣體（通常是氮氣）之間的隔離。氮氣囊對活塞桿進入時的體積改變提供補償。

3 試驗設(shè)計

本試驗對Lord公司生產(chǎn)的RD－1005－3的磁流變阻尼器進行了動力學(xué)特性試驗，其典型參數(shù)如表1所示。研究和分析四個主要因素（頻率、振幅、速度和控制電流）對阻尼力的影響以及獲得能耗及響應(yīng)時間特性。圖2為在MTS試驗機上進行的阻尼器性能測試實驗。

表1 磁流變阻尼器典型參數(shù)表Tab.1 The typical parameters of MR damper

根據(jù)磁流變阻尼器的特征參數(shù)，選擇了試驗中的激勵參數(shù)為：

1）振幅選取。由表1可以看出，RD－1005－3型磁流變阻尼器的拉伸長度與壓縮長度之差為53 mm，所以選擇了3種振幅，10 mm、15 mm、20 mm。

2）頻率選取。由于MTS試驗機的限制（在大振幅下無法實現(xiàn)高頻加載），因此主要測試了低頻情況下磁流變阻尼器的特征性能，頻率選擇為0.25 Hz、0.5 Hz、1 Hz。

3）電流選取。根據(jù)Lord公司的產(chǎn)品說明書，阻尼器可以0～2 A之間切換，故選擇了電流0 A、0.5 A、1.0 A、2.0 A（在試驗中，由于磁流變阻尼器工作時間較長，耗散大量振動能量，其溫度明顯升高，導(dǎo)致其性能發(fā)生了一定的變化，最大輸出電流變?yōu)?1.82 A）。

另外，由于速度數(shù)據(jù)是從位移微分得到，根據(jù)采樣定律和實際需要，采樣頻率分別選擇了100 Hz（0.25 Hz、0.5 Hz時）和 200 Hz（1 Hz時）。

4 磁流變阻尼器動態(tài)特性分析

4.1 阻尼力與位移關(guān)系

通過采集器可以直接獲得阻尼力和位移在采樣點的數(shù)據(jù)。圖3為作動端振幅15 mm，頻率1 Hz輸入，控制器輸入電流為0～1.8 A時的阻尼力－位移曲線。試驗過程中穩(wěn)定電流大小不變。

從圖3可以看出，阻尼力—位移曲線非常飽滿，這說明磁流變阻尼器有著極強的減振耗能作用。當振幅和頻率一定時，阻尼力的大小隨著電流的增大而增大，對于同一控制電流，阻尼力的大小基本保持不變，當控制電流為0時，阻尼器的阻尼力最小。

4.2 阻尼力與速度關(guān)系

圖4為15 mm振幅，1 Hz頻率輸入時阻尼力—速度變化關(guān)系曲線。速度通過采用相鄰兩個采樣點的位移差值與采樣時間的比值計算得到。

通過阻尼力—速度的曲線可知：

1）阻尼力—速度曲線表現(xiàn)為非線性滯回特性，阻尼力隨速度的增大而增大，并趨于飽和。

2）在低速區(qū)域，粘滯阻尼力所占的比重較大，阻尼力隨速度變化明顯，但在高速區(qū)，可控的庫侖阻尼力占主要部分，磁流變阻尼器的阻尼力也表現(xiàn)為基本不隨速度變化，而且隨控制電流越大，磁流變阻尼器的阻尼力顯著增大。但是當電流由1.0 A增至1.8 A，阻尼力的增加幅度變小，最大阻尼力僅增加約130 N，這說明磁流變液已經(jīng)漸趨飽和。

4.3 阻尼力與頻率關(guān)系

圖5為電流1 A時，不同頻率下的阻尼力—速度曲線。

由圖5可知，在相同的振幅和控制電流條件下，頻率越高，滯回現(xiàn)象越明顯。隨著頻率增加，速度變化范圍明顯增大，但在相同速度下，頻率對阻尼力的影響不明顯。

4.4 阻尼力與電流關(guān)系

圖6為1 Hz頻率15 mm振幅，不同電流下的最大阻尼力—電流關(guān)系曲線。

可以看出，磁流變阻尼器最大阻尼力隨控制電流增大而增大，但變化趨勢趨于緩慢，并在達到1.8 A時趨于飽和，這與磁流變阻尼器的內(nèi)部磁場飽和一致。

5 結(jié)論

根據(jù)對磁流變阻尼器動態(tài)特性試驗研究，分析了振幅、速度、頻率、控制電流等因素對磁流變阻尼器的阻尼力影響，并可以得到以下結(jié)論：

1）在低速區(qū)域，阻尼器的阻尼力以不可控的粘滯阻尼力為主，阻尼力隨速度的變化明顯；

2）在高速區(qū)域，阻尼力以磁流變液屈服引起的庫侖阻尼力為主，其特征是阻尼力隨速度的變化不大，而主要決定于控制電流，但是隨著電流的增大，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；

3）振幅和頻率主要影響磁流變阻尼力的粘滯阻尼力，隨頻率和振幅的增加，速度的變化范圍也明顯增大，但是在相同的速度下，頻率和振幅對阻尼力的影響不明顯。

［1］周云，譚平.磁流變阻尼控制理論與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］RIBAKOV Y， GLUCK J.Selective controlled base isolation system with magnetorheological dampers ［J］.Earthquake Engng Struct， Dyn，2002，31：1301-1324.

［3］周云，徐龍河，李忠獻.半主動磁流變阻尼器控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析 ［J］.地震工程與工程振動，2000，20（2）：23－27.

［4］樓文鵑，陳勇，朱瑤宏.采用磁流變阻尼器的斜拉索半主動控制［J］.同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，10（34）：1309-1314.

［5］施亮，何琳.磁流變阻尼器參數(shù)辨識方法研究［J］.振動與沖擊，2009，28（1）：131－133.

［6］SPENCER B F Jr，DYKE S J，SAIN M K，et al.Phenomenological model of a magnetorheological damper［J］.ASCE Journal of Engineering Mechanics，1997，123 （3）：230－238.

An Experimental Study of Dynamic Characteristics of Magnetorheological Damper

Du Kui1 Shi Liang2 Zhu Ruo－Han3
1 Office of Research and Development of Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China
2 Vibration and Noise Institute，Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China
3 Military High－tech Faculty of Communication and Command Academy， Wuhan 430010， China

Better control over the shock resistance of shipboard units underlines the importance of application of the magnetorheological （MR） damper， a more precise and comprehensive understanding of the implication of the dynamic characteristics is substantially important.This paper aims to examine the dynamic characteristics of MR damper through an experimental study.In the study， a variety of factors affecting the damping force of MR damper， including velocity， amplitude， frequency and controlling current， were discussed.The experimental results demonstrate that the uncontrollable viscous damping force of MR damper constitutes the major component of the total damping forces and varies distinctly with velocities at low velocity zone.At high velocity zone， however Coulomb damping force is the major contribution by magnetorheological fluid，where it vary indistinctly with velocities depending on the control current，but saturation will occur with the increment of current.The amplitude and frequency mainly affect viscous damping force，and the variation range will increase distinctly with the increment of frequency and amplitude， but they do not affect the damping force distinctly when at the same velocity.

magnetorheological damper；damping force； dynamic characteristics

TB535.1

A

1673－3185（2011）01－52－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.010

2010-10-11

國家部委基金資助項目

杜 奎（1971－），男，碩士，工程師。研究方向：噪聲與振動控制研究、科研管理。E-mail：dk3k096＠126.com