磁流变液阻尼器综述.docx

半主动控制—磁流变液阻尼控制系统
摘要：结构振动控制是一种新型的抗震技术,其中半主动控制是介于被动控制与主动控制之间的一种控制技术,其仅需少量外加能源,便可产生接近主动控制的效果。由智能材料磁流变体制成的磁流变阻尼器不仅具有结构简单,体积小,反应快,能耗小和阻尼力连续顺逆可调等优点外,而且还易于和计算机相结合。在半主动控制下,磁流变阻尼器可以有效地减小建筑结构的风振和地震反应。因此,国内外己经有越来越多的学者投入到此方面的研究中来,并已取得了一定的成果。本文根据国内外研究成果，介绍了磁流变阻尼器构造特点，力学模型及其控制算法。
关键词：磁流变液阻尼器；力学模型；半主动控制
1磁流变液
磁流变液（MagnetorheologicalFluid，简称MRF）最早是美国国家标准局Rabinow（1948）发明和研制，它主要由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率，低磁滞性的微小软磁性颗粒组成。在零磁场情况下，流变液的颗粒杂乱无章地分布在液体中，无规则的自由流动。其力学性能与普通流体一样，是具有线性粘滞力的牛顿流体（如图1所示）。在磁场作用下，MRF可在毫秒级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动性的Bingham塑性固体。磁流变液内的颗粒在两个磁极之间形成颗粒链，沿磁场方向呈“一”字状有规律的排列，这限制了流体的自由流动，使流体转变成一种具有一定抗压强度(剪切屈服强度和粘滞力的半固体)并且此过程可逆（如图2所示）。当磁场撤离后，MRF又恢复成初始牛顿流体。

MRF主要参数性能
性能最大
场强最大剪切屈服应力/KPa表观黏度/(Pa·s)适用温度/℃杂质敏感性密度/(g/cm3)输入电压/VMRF250A/mm5～1000.2～1.0-5～150不敏感3～42～25优点：（1）所需输入电压小。
（2）剪切屈服强度高，可达到50～100KPa。
（3）对体内杂质影响不敏感，而且温度适应范围宽。

2MRFD—磁流变液阻尼器
磁流变阻尼器也称MRD,是由磁流变体为主制成的阻尼器。由于磁流变体的上述性能及优点,所以由它制成的阻尼器也倍受工程界的关注。磁流变阻尼器的工作方式大致可分为调节磁流变体的压力梯度的流动型,提供能量转换的剪切型,以及通过磁流变体调节刚度的挤压型。其中流动型结构简单方便,较多为研究者涉及。国外已研究开发出磁流变体减振器,刹车装置以及光学加工装置。美国的Lord公司和NotreDame大学的已设计并制造出阻尼力达200KN的磁流变阻尼器,用于土木工程的减震和振动控制。目前开发磁流变阻尼器的工作模式有以下三种。
(1)压力驱动模式
这种模式是目前应用最多的工作模式。其原理如图2-1所示,磁流变体在压力作用下通过固定的磁极,磁流变体流动的方向与磁场方向垂直,可通过改变励磁线圈的电流控制磁流变阻尼器的阻尼力。该系统可用于伺服控制阀,阻尼器和减振器等。

图2-1
(2)剪切模式
其原理如图2-2所示,磁流变体在可移动磁极的作用下通过可控磁场,磁极移动方向与磁场方向相互垂直,这种系统可用于离合器,制动器,锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。

图2-2
(3)挤压模式
其原理如图2-3所示,磁极移动方向与磁场方向相同,磁流变体在磁极压力的作用下向四周流动,磁场方向与磁流变体流动方向垂直。磁极移动位移较小,磁流变体产生的阻尼力较大,可应用于小位移大阻尼的磁流变阻尼器件。

图2-3
3磁流变阻尼器计算模型
为了更好地描述次流变阻尼器的性能，使得磁流变阻尼器的设计和实际应用更加方便，需要开发出既能够准确描述阻尼器性能又不很复杂的计算模型。目前国内外的专家已经提出几种不同的力学模型，主要有Bingham粘塑性模型、Bingham粘弹-塑性模型、Bouc-Wen模型、Spencer模型以及修正的Bouc-Wen模型等。
（1）Bingham粘塑性模型
Bingham粘塑性模型是有一个库伦摩擦构件和一个粘滞阻尼器并联组成的。阻尼力表达式为
F=c0x+fcsgnx（3-1）
式中，F为总阻尼力；c0为粘滞系数；fc为摩擦力，与流体的屈服应力有关。
也可表示为
F=c0x+fc-fc<F<fcc0x-fc（3-2）
该计算模型能够很好地描述磁流变阻尼器的力-位移特性，而在描述力-速度关系时，当速度较低的时候会出现很大的偏差，因而该模型只适用于一般反应分析，由于其准确性很差，不适于用在结构振动阻尼器的设计和计算当中。

（2）Bingham粘弹-塑性模型
该模型由Camota和Filisko提出的，是Bingham粘塑性模型的改进形式。它在Bingham粘塑性模型的基础上串联了一个标准形式的线性固体组成，模型方程可表示为

F=k1x2-x1+c0x2-x1=c0x1+fcsgnx1=k2x