智能磁-率控式阻尼器的設(shè)計(jì)與仿真

朱少杰， 于國(guó)軍， 杜成斌， 王凌云， 黃俊馳

(1. 江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013； 2. 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院， 江蘇南京210098)

利用智能振動(dòng)控制裝置對(duì)大型土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震減振，可以最大限度地減輕地震災(zāi)害[1-2]。基于磁流變(MR)材料研發(fā)的各類MR阻尼器是一種智能減振控制裝置，可解決土木工程結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)控制問題。MR阻尼器是MR減振領(lǐng)域中技術(shù)相對(duì)較為成熟的耗能器件，但是，單一的減振工作機(jī)理導(dǎo)致MR阻尼器對(duì)工程結(jié)構(gòu)減振受到一定的限制，無法減緩?fù)聊竟こ探Y(jié)構(gòu)因自身剛度不夠而在巨大的沖擊荷載下產(chǎn)生的變形甚至破壞。除此之外，MR減振裝置屬于有源器件，一旦發(fā)生電路故障失去磁場(chǎng)控制，減振裝置將失去半主動(dòng)振動(dòng)控制的意義。

磁流變膠泥(MRG)主要由彈性膠泥、軟磁鐵顆粒和添加劑等材料組成，具有阻尼力調(diào)節(jié)范圍寬和不易沉降等優(yōu)點(diǎn)，在抗沖技術(shù)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景[3]。Li等[4]設(shè)計(jì)的多繞組MR阻尼器比傳統(tǒng)的多繞組MR阻尼器具有更大的動(dòng)態(tài)范圍和更高的效率。周治江等[5]、 王芳芳等[6]對(duì)MRG的制備方法和力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，MRG的性能與磁場(chǎng)、鐵粉含量、剪切應(yīng)變以及剪切頻率等因素有關(guān)。

剪切增稠(ST)材料主要在軟體護(hù)具領(lǐng)域，特別是軍工領(lǐng)域以及抗沖減震等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。王勝[7]認(rèn)為ST材料是與應(yīng)變率有關(guān)的新型材料，主要包括剪切增稠流體(STF)和剪切增稠凝膠(STG)兩大類材料。文獻(xiàn)[8-10]中研究了STF與復(fù)合增強(qiáng)纖維的復(fù)合，并對(duì)復(fù)合纖維材料的抗沖防刺性能進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，STF與復(fù)合增強(qiáng)纖維的復(fù)合使得復(fù)合纖維材料的抗沖防刺性能大幅提高。Zhang等[11]設(shè)計(jì)單出桿式STF黏滯阻尼器并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究，結(jié)果表明，單出桿式STF黏滯阻尼器具有較好的減振耗能特性。近年來，研究者試圖將其他性能引入到MR材料中，以進(jìn)一步擴(kuò)大MR材料的應(yīng)用領(lǐng)域。Wei等[12]制備了一種新型的MRG材料，既可以以固態(tài)形式存儲(chǔ)，也可以通過提高溫度而使其表現(xiàn)出液態(tài)性能。

目前，對(duì)具有優(yōu)良剪切變硬和MR性能的多功能復(fù)合材料的研究報(bào)道相對(duì)較少。本文中采用這種多功能復(fù)合材料，結(jié)合新型的阻尼器的力學(xué)模型，設(shè)計(jì)一種智能磁-率控式阻尼器。通過設(shè)計(jì)阻尼器的結(jié)構(gòu)形式和材料參數(shù)[13-14]，實(shí)現(xiàn)低頻磁控減振、高頻耗能和抗沖耗能等性能。與傳統(tǒng)黏滯阻尼器相比，克服傳統(tǒng)黏滯阻尼器工作頻率單一，無法對(duì)不同激勵(lì)頻率都能有效控制的缺陷。與現(xiàn)有阻尼器相比，本文中主活塞采用MR-ST夾層圓盤和雙層活塞桿實(shí)現(xiàn)永磁磁場(chǎng)可調(diào)，具有高頻抗沖耗能的特性；副活塞采用勵(lì)磁線圈實(shí)現(xiàn)阻尼連續(xù)可變，具有磁控減振的特性。通過主活塞和副活塞的協(xié)同工作來適應(yīng)不同振動(dòng)激勵(lì)頻率的環(huán)境。

1 材料制備與測(cè)試

MR-ST材料的制備以硅硼共聚物作為剪切硬化基體材料的主要成分，通過添加交聯(lián)劑使基體材料具有速率敏感特性。制備的主要原材料包括聚乙二醇(PEG)、納米二氧化硅及分散劑無水乙醇。制備的主要儀器包括攪拌裝置和真空干燥箱。

1)STF的制備。 STF的制備方法主要是將分散相微顆粒均勻地分散到分散介質(zhì)中。 本文中通過添加一定量的稀釋劑和長(zhǎng)時(shí)間超聲分散的方法進(jìn)行制備， 主要分為以下3個(gè)步驟： ①根據(jù)制備的STF的濃度， 分別計(jì)算所需分散介質(zhì)和二氧化硅粉體的質(zhì)量； ②取少量二氧化硅粉體加入計(jì)算所需分散介質(zhì)與一定量無水乙醇稀釋劑的混合溶液中， 超聲分散， 直至二氧化硅顆粒均勻分散， 然后重復(fù)添加和超聲分散， 直至計(jì)算所需的全部二氧化硅添加完畢； ③室溫真空干燥后，高溫(100 ℃)真空干燥，直至除去添加的無水乙醇和可能混入的少量氣泡和水分。

2)MR-STF的制備。 將載液添加到納米二氧化硅粉體中， 并使用攪拌器將2種組分機(jī)械混合1 h。 然后將所得懸浮液置于真空干燥箱中數(shù)小時(shí)以消除氣泡。 另一種顆粒也與載液混合以進(jìn)行比較。 二氧化硅(牌號(hào)為S5631， 日本Sigma-Aldrich公司)的一次粒徑為1～5 μm， 密度為2.6 g/cm3。 先制備一種STF， 由懸浮在溶劑中的納米二氧化硅顆粒和PEG組成， 然后用不同質(zhì)量比的羰基鐵顆粒和STF制備一系列MR-STF。 MR液中的磁粉采用平均粒徑為3.5 μm的羰基鐵顆粒(牌號(hào)為C3518， 江蘇天一超細(xì)金屬粉末有限公司)， 加入預(yù)先稱量的一定質(zhì)量的固體鐵微球， 以形成幾種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MR-STF混合物。 在機(jī)械攪拌條件下， 將顆粒與基液充分混合約10 min， 然后將所得混合物中放入真空干燥箱內(nèi)去除多余的氣泡。實(shí)驗(yàn)制備的阻尼器缸體中所需材料的體積約為6 L。

采用MCR302型旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試MR-ST材料的流變特性， 結(jié)果如圖1所示。 從圖中可以看出， 在無磁場(chǎng)的情況下， MR-STF與STF動(dòng)力學(xué)性質(zhì)非常相似， 說明MR-STF在無磁性的情況下可以作為正常的STF工作。 與無磁場(chǎng)的情況相比， MR-STF在有磁場(chǎng)的情況下的性能有很大的不同。 MR-STF的黏度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大， 這也說明MR-STF在有磁場(chǎng)的情況下可以作為正常的MRF工作。 在有磁場(chǎng)的情況下， 羰基鐵粉顆粒的用量越大， MR-STF的MR效應(yīng)越強(qiáng)， ST作用相對(duì)變?nèi)酢?以上結(jié)果表明， MR-STF既有MR效應(yīng)又有ST效應(yīng)。

(a)無磁場(chǎng)

2 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)與工作原理

根據(jù)地震作用情況下建筑結(jié)構(gòu)的層間位移要求，設(shè)計(jì)智能磁-率控式阻尼器的位移限值。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)樓層最大位移與層高比(層間位移角限值)給出如下規(guī)定[15]。

對(duì)于罕遇地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層彈塑性變形，應(yīng)滿足

Δup≤[θp]H，

(1)

式中： Δup為智能磁-率控式阻尼器允許發(fā)生的最大的塑性層位移； [θp]為結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角θp的限值，對(duì)于鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)，取值為1/50；H為一般建筑結(jié)構(gòu)的層高。

本文中選擇建筑結(jié)構(gòu)的層高為3 m，則有3 m×1/50=60 mm，因此本文中阻尼器的最大設(shè)計(jì)位移為±60 mm?？紤]到高頻小振幅情況下的結(jié)構(gòu)位移，彈簧的最大壓縮量取為6 mm。

2.1 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

基于制備的MR-ST材料設(shè)計(jì)智能磁-率控式阻尼器，基本構(gòu)造如圖2所示。

1—軸用拉耳環(huán)， 數(shù)量為1； 2—主活塞桿， 數(shù)量為1； 3—前端蓋， 數(shù)量為1； 4—后端蓋， 數(shù)量為1； 5—O型密封圈1，數(shù)量為7； 6—半環(huán)1， 數(shù)量為2； 7—隔磁銅片， 數(shù)量為2； 8—線圈套筒， 數(shù)量為1； 9—螺釘， 數(shù)量為8； 10—蝶形彈簧， 數(shù)量為4； 11—O型密封圈2， 數(shù)量為4； 12—Yx型密封圈， 數(shù)量為1； 13—連接缸蓋， 數(shù)量為1； 14—半環(huán)2， 數(shù)量為6； 15—副缸體， 數(shù)量為1； 16—主缸體， 數(shù)量為1； 17—拉桿螺栓1， 數(shù)量為4； 18—拉桿螺栓2， 數(shù)量為4； 19—副活塞1， 數(shù)量為2； 20—夾層鋼板1， 數(shù)量為2； 21—副活塞桿， 數(shù)量為1； 22—副活塞2， 數(shù)量為1；23—半環(huán)擋板， 數(shù)量為2； 24—夾層鋼板2， 數(shù)量為2；主活塞由14、 20、 24組成。

2.2 工作原理

智能磁-率控式阻尼器的工作原理采用剪切閥式。 與傳統(tǒng)的剪切閥式MR阻尼器相比， 該阻尼器的不同之處在于設(shè)有主活塞和副活塞2種活塞。 主活塞磁路結(jié)構(gòu)為永磁體構(gòu)成的復(fù)合磁路， 工作間隙處磁場(chǎng)可調(diào)； 副活塞為勵(lì)磁線圈磁路， 工作間隙處磁場(chǎng)也可調(diào)。 阻尼器的可調(diào)阻尼力由主活塞和副活塞一起提供。 主活塞與活塞桿之間固定配合， 副活塞與活塞桿之間設(shè)置碟形彈簧， 碟形彈簧具有一定的壓縮量， 使得阻尼器在小振幅振動(dòng)下只有主活塞工作， 此時(shí)， 阻尼器的阻尼力可調(diào)， 同時(shí)也可以起到抗沖的作用。 在大振幅振動(dòng)下， 阻尼器主活塞和副活塞共同工作， 能夠顯著改善阻尼器的出力和抗沖的效果， 克服了傳統(tǒng)MR阻尼器大振幅低頻振動(dòng)下阻尼力減小的問題。 相比傳統(tǒng)的MR阻尼器， 該阻尼器更適用于土木工程中的振動(dòng)控制。

2.3 力學(xué)模型理論分析

2.3.1 ST阻尼器的力學(xué)模型分析

阻尼器活塞的運(yùn)動(dòng)速度v0與阻尼力F間的關(guān)系式為

其中

(2)

2.3.2 主活塞夾層板的阻尼力模型分析

圓(環(huán))板變形理論為

(3)

式中：wmax為活塞夾層板的最大變形撓度；q為均布荷載；t為活塞夾層板厚度；R為活塞夾層板半徑；E為活塞夾層板的彈性模量；σmax為活塞夾層板的最大應(yīng)力；k1、k2為活塞夾層板的計(jì)算系數(shù)。

(4)

式中：η為ST塑性體的零場(chǎng)表觀黏度；D0為活塞夾層板直徑；v為活塞夾層板的運(yùn)動(dòng)速度。

2.3.3 智能磁-率控式阻尼器的阻尼力模型分析

智能磁-率控式阻尼器的阻尼力模型為

F=

式中：F2為碟形彈簧作用的阻尼力；x為阻尼器的振幅；F′(x)為副活塞作用的阻尼力；τy為MR-STF的剪切屈服強(qiáng)度。

阻尼器的阻尼力最大設(shè)計(jì)值為243.22 kN。主活塞單獨(dú)工作時(shí)，最大出力為69.5 kN；主、副活塞同時(shí)工作時(shí)，最大阻尼力為243.22 kN。

3 磁路及結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 磁路的有限元仿真

智能磁-率控式阻尼器的磁路主要包括主活塞磁路， 下面對(duì)智能磁-率控式阻尼器的主活塞磁路進(jìn)行有限元仿真分析， 以確定磁路中的各部分參數(shù)。 利用ANSYS軟件建立主活塞有限元模型， 對(duì)智能磁-率控式阻尼器的主活塞進(jìn)行有限元仿真分析， 以確定磁路中永磁體的尺寸。 智能磁-率控式阻尼器主活塞磁路的磁力線與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，所有的磁力線均通過工作間隙，并且在各工作間隙處分布均勻。從圖3(b)中可以看出， 活塞磁軛處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大， 最大值達(dá)到1 T， 原因是在活塞磁軛處， 垂直于磁力線的截面積最小。 對(duì)比圖3(c)、 (d)可以看出， 發(fā)生在磁極根部的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度主要為軸向， 最大值達(dá)到1 T， 而徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎為0。 考慮到漏磁， 智能磁-率控式阻尼器主活塞工作間隙處的實(shí)際磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.5 T， 基本接近MR-ST材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度0.4 T。 由此可知， 智能磁-率控式阻尼器主活塞工作間隙處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 結(jié)構(gòu)的有限元仿真

ABAQUS軟件是一種功能相對(duì)豐富的工程模擬有限元分析軟件， 具有較多的材料模型庫(kù)， 同時(shí)， 該軟件有較豐富的單元類型， 可以解決實(shí)際工程中的許多問題， 并有很強(qiáng)的非線性問題的處理能力。 用戶定義結(jié)構(gòu)尺寸、 材料特性、邊界條件和荷載工況等后， ABAQUS軟件通過自動(dòng)選擇合適的增量步和收斂準(zhǔn)則， 可以處理各種高度非線性問題，包括各種復(fù)雜的接觸問題等[15]。 本文中利用ABAQUS軟件， 對(duì)智能磁-率控式阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真， 校核阻尼器關(guān)鍵部位的強(qiáng)度[16-17]， 仿真結(jié)果如圖4所示。

表1所示為阻尼器結(jié)構(gòu)各工況應(yīng)力。 由表可知， 在不同工況下， 阻尼器結(jié)構(gòu)的整體、 副活塞和主活塞部位的應(yīng)力值均小于材質(zhì)的屈服極限值。

由有限元分析結(jié)果可知，智能磁-率控式阻尼器在大、 小位移情況下，整體的應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，主、副活塞的應(yīng)力也均較小，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文中設(shè)計(jì)了一種智能磁-率控式阻尼器。通過理論與有限元的分析，解決了現(xiàn)有阻尼器存在的一些關(guān)鍵問題。基于有限元仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了智能磁-率控式阻尼器設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

1)智能磁-率控式阻尼器結(jié)構(gòu)主要包括MR-ST夾層圓盤的主活塞， 并且主、 副活塞缸筒內(nèi)填充MR-ST材料， 具有高頻抗沖耗能和磁控減振的特性。主活塞采用雙層活塞桿實(shí)現(xiàn)永磁磁場(chǎng)可調(diào)，無需外部能源，以適應(yīng)高頻沖擊荷載。副活塞采用勵(lì)磁線圈實(shí)現(xiàn)阻尼連續(xù)可變，以適應(yīng)不同激勵(lì)頻率的振動(dòng)響應(yīng)。建立了智能磁-率控式阻尼器的力學(xué)模型，通過理論計(jì)算智能磁-率控式阻尼器的阻尼力最大可達(dá)243.22 kN。

表1 阻尼器結(jié)構(gòu)各工況應(yīng)力

2)基于結(jié)構(gòu)的有限元仿真， 合理設(shè)計(jì)了智能磁-率控式阻尼器的結(jié)構(gòu)， 并驗(yàn)證了智能磁-率控式阻尼器的阻尼力理論計(jì)算的可行性和合理性。

3)智能磁-率控式阻尼器具有高頻抗沖耗能、磁控減振的雙重減振機(jī)理，對(duì)該減振裝置應(yīng)用于大型土木工程結(jié)構(gòu)，尤其是多跨連續(xù)橋梁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中具有重要的意義。