磁流變阻尼器在船舶減振降噪中的應用

田雷

摘 要：磁流變阻尼器通過提供運動阻力、減少運動耗能的裝置，在航天航空、土木工程、汽車制造等行業廣泛應用。將磁流變阻尼器應用在傳播減震降噪系統中，能提高船舶減震水平、延長船的使用周期、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用并探討了磁流變阻器未來發展方向。

關鍵詞：磁流變阻尼器 船舶 減振降噪

中圖分類號：U664 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0106-02

船舶在航行過程中，受到水的阻力，所以船身會出現振動的現象，振動不僅會影響船體本身的構造，影響船上的設備和儀器的正常工作，而且船體發生的振動會影響船員工作效率，長期還會影響船員的身體健康，所以船舶減振降噪關系到航行安全。當前船舶上大多使用橡膠墊、彈簧等彈性減振元件，這些減振元件在運動過程中抑制船舶結構振動，從而達到減振作用。這種減振設備經濟實惠、結構簡單、安全可靠，但缺乏一定的靈活性。近年來，隨著科學技術的進步，大量新技術和新材料引用在造船業，這為船舶減振系統改進提供了技術支持。因此研究工作效率更高、效果更好的減振降噪設備，對提高船舶振動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、高磁導性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成，是一種可控流體。這種物質在零磁場的環境下，會出現低粘度的牛頓流體特性；在強磁場的環境下會出現高粘度、低流動性的特性。所以它能夠實現固態和固態的可逆轉化，通過改變磁場條件，實現快速轉換。因此，磁流變液具有良好的力學性，通過用電就能實現計算機和網絡的控制，因此被認為是21世紀最有發展前景的智能材料。國外對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，英國一家公司將磁流變體用在飛行器的隔離系統中，從而減少振動對飛機雷達和儀表的影響。1995年第五屆國際電磁流變會上，美國的Lard公司在現場展示了自制的磁流變液，并將其應用在軍工領域，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確性。經過二十多年的發展，磁變流材料已經成為具有多種形態的物質，其中包括磁流變液、磁流變彈性體、磁流變泡沫等物質。

2 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器是通過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結構上，它能根據結構振動情況，按照控制規則自動調整阻尼器的阻尼，從而減少振動帶給物體結構的振動作用。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、壓力驅動模式、積壓流動模式。剪切模式是利用兩磁極一極運動，讓磁流變液產生剪切流動形成的阻尼；壓力驅動模式是通過壓力驅動磁流變流流動產生的阻尼；擠壓流動模式，是通過兩磁極相對運動產生的阻尼。這3種工作模式應用最多的是壓力驅動模式，這種模式下的阻尼器設計比較簡單，而且產生的阻尼大，因此阻尼器制造技術相對來說比較成熟。磁流變阻尼器的結構與普通的油缸流體阻尼器的結構差不多，當缸體和活塞進行相對運動時，阻尼器的磁流變液受到壓力，通過缸體與活塞的縫隙從活塞的一端流向另外一端，在經過縫隙的過程中，磁流變液會隨著磁場變化的強度發生剪切強度的變化。利用這個特性，可以調節纏繞在活塞上的勵磁線圈電流大小，從而改變間隙內的磁場強度變化，調節磁流液體的阻力。磁流變液阻尼器能耗低、響應速度快、價格便宜、可實現連續順逆調節，便于與微機控制系統進行結合，所以廣泛應用在建筑、機械、汽車、航空等領域。

3 磁流變阻尼器在船舶減振降噪的應用

傳統的被動振動控制技術已經無法滿足當下海洋航行的環境，而主動控制技術投資規模大，所以很難大面積進行推廣。但是目前關于磁流變阻器在船舶中的實際工程中，需要結合船舶的特點，研制適合船舶低頻振動的智能減振裝置。船用磁流變智能阻尼器由磁流變彈性體、殼體、電磁線圈、鐵芯構成。磁流變彈性體將鐵芯與殼體進行連接，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，對應四組電磁線圈，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生的磁場經過鐵芯的四個翼、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節磁流變彈性體的剪切力，從而達到電磁線圈電流強度控制阻尼器出力大小的作用。與現狀的磁流變減振設備相比，船用磁流變智能電阻器具有以下幾個方面的優勢：第一，它能根據結構的振動頻率自動調節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，實現半主動控制。第二，磁線圈纏繞的方式比較獨特，是沿著圓柱體的母線進行纏繞，這樣能夠減少磁場傳遞時能量損耗。第三，磁流變彈性體和鐵芯用扇形進行連接，阻尼器的出力大小與接觸面積呈線性關系，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。船舶結構在作用力下，振動響應比較復雜，存在很多共振高峰，而通過改變結構質量或者剛度避開共振峰是很難的，且改變結構的尺寸和厚度會影響船舶自身的強度和穩定性，通過磁流變智能阻尼器可以實現減振降噪功能。當船舶結構發生彎曲振動時，結構振動的能量迅速傳遞給阻尼材料，從而引起阻尼內部的振動摩擦運動，由于阻尼結構自身的內部摩擦非常大，所以船舶結構相當一部分的能量就被消耗掉了，從而達到降低結構彎曲振動程度、達到降低結構振動幅度和噪聲的目的。

4 磁流變阻尼器未來發展趨勢

由于磁流變阻尼器剛度好、響應快、阻尼可調、可逆性好，又具有彈性體和磁流變材料的特點，因此廣泛應用在減振工程中。由于主動控制的成本比較高，大部分的研究都是針對半自動化控制方面。然而在實際應用中，磁流變阻尼器控制系統具有一定的滯后性，所以一定程度上影響了控制系統的性能，磁流變阻尼器的安裝位置以及數量都會影響減振效果，因此，磁流變阻尼器在裝置上的結構振動布置還需要進一步研究和試驗。近年來，隨著海洋事業的發展，很多國內外的專家學者投入大量的時間和精力研究磁流變阻尼器在船舶工程中的應用，并將神經網絡技術應用在結構振動控制技術上面，取得了一定的成果。比如，姚熊亮根據MR船用的減振沖擊隔離器進行了相關的研究，楊萬慶的屋蓋MR智能隔離系統以及武漢理工大學徐建維教授等基于神經網絡預測MR智能半主動控制技術的研究做出了升船機地震鞭梢效應。然而這些還只停留在研究和試驗階段，還沒有真正將其應用在實際工程中。與國外關于磁流變阻尼器的研究和技術相比，還存在很大的差距。

5 結語

近年來，隨著計算機技術、信息技術、人工智能技術以及控制技術的發展，極大地推進了電子技術的進步和發展。磁流變阻尼器作為一種智能控制器，未來具有廣闊的發展前景，但是目前我國的磁流變阻器的相關技術和設備還不夠成熟，還需要進一步研究。

參考文獻

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