反向消磁條件下磁流變脂隔震模擬試驗研究

周亞東，葛愛迪，付小嫚，等.反向消磁條件下磁流變脂隔震模擬試驗研究［J］.地震工程學報，2024，46（2）：286293.DOI：10.20000j.10000844.20220912001

摘要：

采用電磁線圈及永磁體共同控制磁場，自主設計一種可反向消磁的磁流變脂（MRG）剪切試驗裝置。利用ANSYSElectronics軟件對該試驗裝置磁場分布進行仿真分析，并制備不同羰基鐵粉質量分數的MRG，采用振動臺對反向消磁條件下MRG的動態剪切性能開展試驗測試，分別研究勵磁電流、激振幅值和激勵頻率對MRG動態性能的影響。結果表明：羰基鐵粉質量分數對MRG的動態性能影響顯著;MRG的剪切應力隨勵磁電流的增大先快速增大后趨于平緩，阻尼力則逐漸減小;MRG的耗能能力隨位移幅值的增加而增強;隨著加載頻率的增大，其阻尼力略有增加。

關鍵詞：

磁流變脂;反向消磁;動態性能;等效阻尼

中圖分類號：TB381文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0286-08

DOI：10.20000j.10000844.20220912001

0引言

隨著材料制備工藝的發展進步，新型智能材料層出不窮，在土木工程、地震工程等領域的減隔震技術中，磁流變材料優勢凸顯，成為科研人員關注的熱點［13］。當前磁流變材料仍存在諸多局限性，如磁流變液分散穩定性較低，傳統磁流變液阻尼器磁流變液中的鐵磁顆粒沉降會導致控制特性惡化［4］。磁流變脂（MagnetorheologicalGrease，MRG）是實現結構振動控制的關鍵材料，是在磁流變液基礎上發展而來的新型智能材料。磁流變脂以潤滑脂為載體介質，使微米級鐵磁顆粒均勻懸浮在載體介質中。磁流變脂除了具有類似于磁流變液的良好流變特性外，還具有特殊的皂纖維骨架結構，因而表現出優于磁流變液的沉降穩定性，具有更出色的應用優勢［59］。

磁流變脂最早由Wilson等［10］于2002年提出，Wilson指出磁流變脂的優勢在于能夠控制初始黏度和降低鐵磁顆粒的沉降。Rankin等［11］研究了鐵磁顆粒體積分數為10%的磁流變脂的屈服應力，發現屈服應力隨著磁場強度的增大呈二次方趨勢增加。Sato等［12］通過實驗發現，存在磁場的情況下，由于磁偶極子間的相互作用，磁偶極子形成強鏈狀結構，磁性微球中粒子的分布也受到外部磁場的影響。Sahin等［13］在穩定剪切試驗下測試了磁流變脂的流變性能，實驗結果表明，磁流變脂的屈服應力高于傳統磁流變液。Park等［14］通過將軟磁顆粒分散在潤滑脂介質中制備了磁流變脂，并進行了流變實驗，結果表明磁流變脂在無外加磁場作用下具有屈服應力，在外加磁場作用下磁流變脂呈現出一種穩定的類固體結構。Mohamad等［15］研究了不同鐵磁顆粒質量分數磁流變脂的磁流變效應，結果表明隨外加磁場的增加，其黏度和儲能模量迅速增加，最大屈服應力和相對磁流變效應分別高達52.7kPa和952.38%。趙湖鈞等［16］指出磁流變脂具有較好的結構恢復性和較強的時間依賴性，在較寬速率范圍內討論磁流變脂流變性能時，可采用剪切速率對數遞減的方式來提高測試的重現性，預剪切處理對磁流變脂流變行為的影響較小。汪輝興等［17］通過開展穩態剪切試驗，發現在給定范圍內，磁流變脂的黏度及剪切應力的可調范圍隨羰基鐵粉質量分數的增加而擴大。

當前對磁流變脂的研究通常為磁流變阻尼器提供材料，傳統磁流變阻尼器依靠電磁線圈為設備提供磁場，對線圈連續供電時會產生大量熱能，并產生顯著的能量消耗問題［1819］。本文基于磁流變脂的剪切工作原理和反向消磁原理［20］，利用永磁體及線圈共同控制磁場強度，設計一種新型反向消磁的磁流變脂動態剪切試驗裝置，實現阻尼力大小的實時控制，研究反向消磁條件下磁流變脂的流變特性與流變效應；通過有限元軟件模擬計算出不同電流下磁場強度及磁流變脂材料磁感應強度的飽和點，并開展該磁流變脂的動態性能試驗測試，以期為磁流變脂阻尼器、制動器等減隔振裝置的設計提供依據。

1室內試驗

1.1試驗材料及制備

磁流變脂由磁性顆粒和潤滑脂基體制備而成。由于羰基鐵粉（CarbonylIronPowder，CIP）、鐵、氧化鐵等鐵磁材料在外加磁場下具有易磁化和易退磁的特性，它們通常作為磁性顆粒來制備磁流變脂。在各種磁性材料中，CIP因其高飽和磁化強度和軟磁特性而被廣泛應用。由于潤滑脂基體黏稠度較高，為了減小鐵磁顆粒在潤滑脂基體中運動的摩擦阻力，選用平均直徑dCIP為5μm的羰基鐵粉;潤滑脂選用昆侖2號商用潤滑脂，其溫度使用范圍為-20～110℃。按照羰基鐵粉和潤滑脂的不同配比，配制羰基鐵粉質量分數ω=30%、50%、70%的磁流變脂，并分別記為MRG30、MRG50、MRG70［17］。已知隨著溫度升高，潤滑脂的表觀剪切黏度會穩定下降，故加熱即可保證羰基鐵粉與潤滑脂充分均勻混合。磁流變脂的具體配制過程如下：首先，將按質量分數稱量好的潤滑脂放入燒杯中，并在恒溫浴水鍋中加熱到60℃，同時利用電動攪拌器攪拌15min;待潤滑脂稍有稀化后，再將羰基鐵粉分批次均勻加入燒杯中，保持60℃恒溫并繼續攪拌1h;然后，將所制備的混合物放在超聲波清洗儀中處理20min以初步去除混合物中的氣泡;最后，將混合物放至真空干燥箱中靜置2h，以去除殘留的微小氣泡，冷卻后即得到不同羰基鐵粉含量的磁流變脂［21］。制成的磁流變脂樣品如圖1所示。

1.2試驗裝置設計及仿真分析

1.2.1試驗裝置設計

基于磁流變脂的剪切工作原理，為實現其在電磁場關閉狀態下輸出較大的阻尼力，在電磁場開啟狀態下輸出較小的阻尼力，即實現試驗裝置阻尼力變化范圍的拓展，本文采用電磁線圈及永磁體共同控制磁場，自主設計了一種可反向消磁的磁流變脂剪切試驗裝置（圖2）。

該裝置主要由磁場控制系統和剪切系統組成，其中磁場控制部分包括勵磁線圈、鐵芯及永磁體。勵磁線圈使用直徑d為0.8mm的銅導線，添加絕緣層后漆包銅線直徑d為0.845mm，綜合考慮結構設計參數、磁場控制、線圈尺寸等方面要求，計算得出單個線圈纏繞匝數N為2800;鐵芯選用飽和磁感應強度高、機械加工和焊接性能好的10F鋼;永磁體選用N40銣磁鐵，內嵌于鐵芯端部，磁感應強度B約0.8T。剪切部分包括剪切槽和剪切板：剪切槽尺寸134mm（長）×46mm（寬）×6mm（高）;剪切板采用厚度2mm的國標H85銅制作，形狀為上邊長50mm、下邊長90mm、高60mm的梯形;剪切板相對于剪切槽內壁軸向移動，直接剪切磁流變脂，二者之間的間隙為2mm。

1.2.2磁場仿真分析

為驗證試驗裝置結構與磁路設計的合理性，采用ANSYSElectronics軟件中的Maxwell3D模塊對所設計的試驗裝置進行仿真分析。不同電流強度下，該試驗裝置的磁通密度分布如圖3所示。由圖3可知：當線圈外加電流I=0A時，磁場強度完全由永磁

鐵提供，剪切槽內部磁感應強度達到0.8T，此時磁流變脂基本達到磁飽和狀態;當線圈外加電流I=1.5A時，剪切槽內的混合磁感應強度減弱至0.43T左右，說明試驗裝置磁路設計能夠實時、有效地調節磁感應強度大小;當線圈外加電流I=2.5A時，阻尼間隙處磁流變脂的磁感應強度減弱至0.07T，符合設計要求，驗證了該試驗裝置結構與磁路設計的合理性。

1.3試驗方案

利用本文設計的試驗裝置，采用Servotest公司生產的MINIMAST振動臺對磁流變脂進行動態剪切性能測試，分析其在不同質量分數、勵磁電流、激勵頻率和激振幅值下的阻尼力特性。利用振動臺對試驗裝置施加正弦激勵，分別利用位移傳感器和德國Flintec公司生產的ISB型壓力傳感器測量位移和力。

試驗中設置激勵頻率分別為f=0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、3Hz，激振幅值分別為Δ=5mm、10mm、15mm，線圈的外加電流I為0～2.5A直流電源，增量步長為0.5A，外接兩個兆信1005D數顯直流穩壓電源分別為兩個線圈供電。為了減少振動臺啟動初期機器運行不穩定對試驗數據造成的不利影響，每種工況反復加載8個循環。具體工況列于表1，試驗實景如圖4所示。

2試驗結果分析

2.1動態特性分析

根據反向消磁的磁流變脂剪切試驗裝置動態性能試驗加載方案，對該試驗裝置進行動力學性能試驗。設置試驗變量條件分別為：質量分數ω=30%、50%、70%;線圈的外加電流強度I=0A、0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A;激振幅值Δ=5mm、10mm、15mm;激勵頻率f=0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、3Hz。應用唯一變量法分別進行試驗，分析磁流變脂在不同質量分數、勵磁電流、激振幅值和激勵頻率下的阻尼力特性。

2.2電流對MRG動態性能的影響

選取試驗條件為：幅值Δ=10mm;頻率f=1Hz;磁流變脂質量分數分別為ω=30%、50%、70%;線圈的外加電流強度分別為I=0A，0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A。添加不同質量分數的磁流變脂材料，分析不同外加電流對磁流變脂動態性能的影響，得到該反向消磁磁流變脂剪切試驗裝置的阻尼力位移曲線如圖5所示。

由圖5可知，該裝置的阻尼力位移滯回曲線基本為菱形，當電流為0A時，由永磁體提供的磁場達0.8T左右，磁流變脂基本達到磁飽和狀態，此時輸出最大阻尼力Fmax;當電流為2.5A左右時，磁場基本抵消為0T，此時輸出最小阻尼力Fmin。試驗初期阻尼力在位移大（速度小）的區域快速增加，后在位移小（速度大）的區域達到限值并趨于平緩，即隨著線圈中的外加電流逐漸增加，由線圈產生的反向磁場逐漸增大，由永磁體和線圈共同調控的混合磁場強度逐漸減小，達到反向消磁的效果，故該裝置的阻尼力隨勵磁電流增大而逐漸減小。

在變化電流情況下，不同質量分數的磁流變脂輸出的最大和最小阻尼力如表2所列。

由表2可知，質量分數分別為30%、50%和70%的磁流變脂，在不同電流條件下，相應的阻尼力變化范圍分別為12.28N、21.62N和31.56N。說明在幅值、頻率一定的情況下，電流變化會引起阻尼力的變化，且磁流變脂中羰基鐵粉的質量分數越高，可調節范圍越大。

2.3幅值對MRG動態性能的影響

振動臺可以為試驗裝置提供不同幅值的正弦波，而幅值的大小即為反向消磁磁流變脂剪切試驗裝置的剪切位移。選取試驗條件為：線圈外加電流I=1A;激勵頻率f=1Hz;質量分數分別為ω=30%、50%、70%;激振幅值分別為Δ=5mm、10mm、15mm，探究激振幅值對磁流變脂動態性能的影響。添加不同質量分數的磁流變脂材料，在不同激振幅值的情況下，得到該反向消磁磁流變脂剪切試驗裝置的阻尼力位移曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，當勵磁電流、激勵頻率一定時，隨著激振幅值的增加，位移最小處的阻尼力略有增大，且阻尼力位移曲線圍成的面積也隨之增大，這表明磁流變脂的耗能能力隨位移幅值的增加而增強。對比圖6（a）、（b）、（c）可知，質量分數為30%、50%、70%的磁流變脂，最大阻尼力分別為25.71N、52.67N、72.86N，即磁流變脂的質量分數越高，試驗裝置的耗能能力越強;同時，在位移為0的區域，阻尼力位移曲線顯示出黏滯阻尼的特征，即隨著位移幅值的增大，阻尼力位移曲線變為圓潤的弧線。通過對不同位移幅值對應的阻尼力位移滯回曲線分析發現，阻尼力在低速區同樣出現了力突變現象，即在阻尼力位移曲線中表現為位移最大處的曲線出現尖角，但力突變的峰值基本一致，說明這種力突變現象基本不受加載位移幅值的影響［22］。

2.4頻率對MRG動態性能的影響

振動臺可以為試驗裝置提供不同頻率的正弦波。選取試驗條件為：線圈外加電流I=0A，激振幅值Δ=15mm，質量分數分別為ω=30%、50%、70%，激勵頻率分別為f=0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、3Hz，探究激勵頻率對磁流變脂動態性能的影響。添加不同質量分數的磁流變脂材料，在不同激勵頻率的情況下，得到該反向消磁流變脂剪切試驗裝置的阻尼力位移曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出，當勵磁電流和位移幅值一定時，隨著加載頻率的增大裝置的阻尼力略有增加。對比圖7（a）、（b）、（c）可知，磁流變脂的質量分數越低，頻率對阻尼力的影響越大，反映在圖中即為兩條滯回曲線的間隔越大。對試驗數據分析發現，在低速區域同樣出現了阻尼力突變現象，即在力位移曲線中呈現尖角，且這種尖角隨著加載頻率的增大呈現增大態勢。當激振幅值和外加電流一定時，最小位移（速度最大）處的最大阻尼力隨著頻率的增加而增大。這一現象說明頻率對零位移阻尼力的影響較為明顯，但對低速區阻尼力突變峰值的影響不明顯［22］。

2.5等效剛度和等效阻尼

等效剛度和等效阻尼是評價磁流變脂減振耗能效果的重要參數，本文引入其對磁流變脂剪切試驗裝置的減振耗能效果進行評價。

MRG的等效剛度（Keff）［2324］可表示為：

Keff=Fdmax-FdminXmax-Xmin（1）

式中：Fdmax和Fdmin分別為剪切應變最大和最小處的力;Xmax和Xmin分別為剪切應變的最大值與最小值。

MRG的能量耗散特性可通過等效阻尼（Ceq）表示［23］：

Ceq=EDC2π2fX2max（2）

式中：EDC表示MRG的能量耗散大小，即力位移曲線的面積;f為剪切頻率。

選取ω=70%的磁流變脂材料，參考阻尼力位移曲線，計算得到其等效剛度及等效阻尼分別如圖8、9所示。由圖8可知，當激振幅值保持不變時，磁流變脂的等效剛度隨線圈外加電流的增加而減小，隨激勵頻率的增加而稍有增大。比較圖8（a）、（b）、（c）可知，當激勵頻率及線圈外加電流不變時，磁流變脂的等效剛度隨激振幅值的增加明顯降低。由圖9可知，當激振幅值保持不變時，磁流變脂的等效阻尼隨線圈外加電流的增加稍有減小，隨激勵頻率的增加先驟降而后緩慢下降。比較圖9（a）、（b）、（c）可知，當激勵頻率及線圈外加電流不變時，磁流變脂的等效阻尼隨激振幅值的增加明顯降低。

由圖8可知，零電磁場時與反向消磁時，等效剛度的最大相對變化達72%;在僅考慮激勵頻率影響下，等效剛度的最大相對變化達59%;在僅考慮激振幅值影響下，等效剛度的最大相對變化達359%。

綜上，激振幅值對等效剛度Keff的影響最為明顯，在激振幅值Δ=5mm、激振頻率f=3Hz、線圈外加電流I=0A時，達到最大等效剛度Keff=11.07kNm。

由圖9可知，零電磁場時與反向消磁時，等效阻尼的最大相對變化達28%;僅考慮激勵頻率影響下，等效阻尼的最大相對變化達2795%;僅考慮激振幅值影響下，等效阻尼的最大相對變化達173%。綜上，激振頻率對等效阻尼Ceq的影響最為明顯，在激振幅值Δ=5mm、激振頻率f=0.1Hz、線圈外加電流為I=0A時，達到最大等效阻尼Ceq=24.61kN·sm。

3結語

為降低電磁線圈能耗，使MRG在零電磁場狀態下具有較高的阻尼力，本文自主設計了一種反向消磁剪切試驗裝置，并在振動臺上開展了不同情況下磁流變脂的動態剪切性能試驗，得到如下主要結論：

（1）自主設計的反向消磁剪切試驗裝置可隨電流變化調節磁場強度，隨線圈電流增大，磁場強度逐漸減弱，實現反向消磁。

（2）在零電磁場情況下，磁流變脂輸出最大阻尼力Fmax為83.73N;在變化電流情況下，不同羰基鐵粉質量分數的磁流變脂，阻尼力的變化范圍分別為12.28N、21.62N、31.56N。

（3）磁流變脂的耗能能力隨位移幅值的增加而增強，且質量分數越高耗能能力越強;阻尼力隨著加載頻率的增大略有增加，且質量分數越低，頻率對阻尼力的影響越大。

（4）反向消磁時等效剛度和等效阻尼均較零電磁場時降低。不同電流、激勵頻率和激振幅值情況下，等效剛度的最大相對變化分別為72%、59%和359%，激振幅值對等效剛度的影響最為明顯;等效阻尼的最大相對變化分別為28%、2795%和173%，激勵頻率對等效阻尼的影響最為明顯。

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（本文編輯：趙乘程）

收稿日期：20220912

基金項目：天津市自然科學基金重點資助項目（18JCZDJC10010）

第一作者簡介：周亞東（1985-），男，博士，副教授，主要從事智能材料與智能結構方面的研究。Email：zyd476300@126.com。

通信作者：張彥（1980-），女，碩士，實驗師，主要從事地震工程等方面的研究。Email：zy_801010@tcu.edu.cn。