智能材料磁流變液垂直連續沖擊減振器理論與實驗

樊富起

摘要：本文基于智能材料磁流變液沖擊減振系統的阻尼效應與時域進行了理論推導，將數值仿真和物理模擬試驗結合起來進行比對、研究沖擊減振系統對流變液體鋼性和柔性運動特性;系統固有頻率總能抑制系統的振動得到揉性平衡諧振的結論。

關鍵詞：磁流變液沖擊減振器;垂直連續減振系

中圖分類號：TB535.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0073-02

0? 引言

磁流變沖擊減振器是利用磁流變液在自由沖擊體活塞電場與磁流變液諧振系反復磁力線碰撞產生的能量損耗和動能量交換達到減振目的。由于其具有簡單的結構、控制較易、體積也較小且對安裝空間的要求也較低，目前不但用于飛機機翼的顫振抑制控制，而且也開始了在精密的數控機床等沖擊減振器的應用。近年汽車研究人員想把這種技術用于汽車減震和車身鋼度控制以及電動汽車的反充電上，該項技術正在研究之中。本文將解析分析、數值仿真和實驗結合起來研究磁流變沖擊減振器理論。

1? 磁流變沖擊減振系統響應情況分析

圖1為力學模型。磁流變減振系由懸臂梁、減振器外殼組成。質量為m的沖擊體活塞電場桿件放置于質量為M的容腔內，它們之間的縱向空隙為0.03mm。磁流變諧振系在外部簡諧激振力Fsi（ωt）的作用在車架上將產生振動，當產生的激振力足夠大，并且系統參數可以滿足某種條件時，傳感器將信號傳給中央處理器、沖擊體活塞電場將克服重力接通活塞磁場電源，磁流變液在容腔中作磁力運動，并和主質量發生碰撞。

建模時采用以下假設：

①磁流變自由沖擊體活塞電場與減振器殼體的碰撞為瞬時彈性碰撞，滿足動量守恒定律;②主系統是線性系統，適用疊加原理;③系統的運動過程中，磁流變本體處于沖擊狀態（沖擊體活塞電場懸空）或粘附狀態（沖擊體活塞電場與磁流變諧振體作絞接運動）。

2? 實驗與仿真分析

實驗裝置如圖2所示，懸臂梁為研究對象，懸臂梁的材質為彈簧鋼板，懸臂梁的懸伸長度可調，懸臂梁的尺寸為1000×50×5mm，E=2.057×1011Pa，ρ=7718kg/m3，懸臂梁的懸伸量為195mm。在懸臂梁的左端固定沖擊減振器，減振器殼體質量為0.4176kg，沖擊體活塞電場的質量為0.266kg，磁流變液0.65kg殼體容積350mml，把激振器固于實驗裝置支架上，實驗裝置的激振點位于沖擊減振器的正下方。有信號發生器置于TD4020型寬帶頻率響應分析儀內，將實驗產生的信號送至功率放大器，通過調節使之始終保持為簡諧信號。通過頻率響應分析儀對系統進行動態特性測試，得到各頻率對應的相頻、幅頻值。利用測得的幅頻值來估算共振頻率、阻尼比和留數，即估算模態參數。系統的動力學特性就可以通過這些模態參數完整地描述出來了。

通常，一個系統的若干階模態振型的疊加可用來表示它的動態響應。若一定頻帶內只有一個重要的模態，就可單獨確定該模態的參數。用電流變液質量的阻尼變量系數來表示懸臂鋼板等效載荷，其二階系統的速度幅頻特性表達式為：

進行擬和，擬和曲線如圖3所示。得到：A=2.44;fn=52.65;ξ=0.0041。

則給定激勵力F，減振器安裝處位移響應可由A0=H（f）·F（2？仔f）獲得。

沖擊減振位移測量：

將沖擊體活塞電場放入減振器殼體，調整沖擊體活塞電場的沖程2h=1.5mm，測出減振器安裝處的位移。測試系統框圖見圖4。

用毫伏表測出作用力的大小，而采集分析系統得出磁流變諧振系的位移響應。

恢復系數的測量：

恢復系數需有實驗測定，在通常情況下，對于材料固定的物體，碰撞過程結束和開始的速度大小比值是不變的，該比值為恢復系數，用k表示，電場阻尼活塞自高處向減振器低處下降，并在彈片上連續彈跳，此彈跳過程中的信號用聲卡采集到電腦，用任相鄰兩次碰撞的時間間隔算出碰撞恢復系數：。

用此法測出e=0.59。

沖擊減振器的減振效果定義為：1-A/A0，其中A為磁流變諧振系裝有減振器時的振幅，A0為磁流變諧振系統原來的振幅。

激振頻率的影響：激振頻率是影響減振效果的一個重要參數，取激振力F=6.17N，選用掃頻間隔選為1Hz的穩態正弦手動掃描激振，來測試懸伸端的響應情況，繪出減振曲線，把該減振曲線與數值仿真計算獲得的減振曲線進行比較。從圖5可以觀察到在該系統固有頻率附近減振效果是最好，當實際產生的激振頻率偏離系統的固有頻率時，減振效果很快降低，表明沖擊減振器對激振頻率是比較敏感的。

激振力幅值的影響：選系統的共振頻率作為激振頻率，改變激振幅度，來測試懸伸端的響應情況，獲得圖6所示曲線，從圖上看出減振曲線變化平緩，即沖擊體活塞電場的運動狀態對減振效果并無太大影響，這對工程應用具有指導意義。

3? 結論

①本實驗和仿真減振曲線趨勢上基本上吻合，說明智能材料（磁流變液）減振系統的響應計算和數值仿真是正確的;②在電場接通后系統固有頻率總能有效抑制系統的振幅和振頻，且在落差大和差度小時減振效果最佳，因此更適應于自激振動系統，且總能保持最穩定的時域;③共振頻率端、系統的減振效果對外激勵的幅值大小很敏感。

參考文獻：

[1]夏季，廖伯瑜.振動臺上沖擊減振器雙面沖擊運動的研究[J].力學與實踐，2015，3.

[2]徐志偉，等.垂直沖擊減振系統的仿真研究[J].西安交通大學學報，2017，5.

[3]丁文鏡.減振理論[M].清華大學出版社，2015.

[4]任建庭.磁流變液夾層梁的動力學分析.西北工業大學汽車工程研究所，2016，12.

[5]S.F.Masri. T.k Caughey. On The Stability of? The Impact Damper， Trans ASME， JAM， 2017.4.

[6]會強，鄭堤.基于磁流變液的回轉式阻尼器設計與有限元分析[J].寧波大學學報，2018，12.