磁流变液阻尼器综述

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J.D.Carlson和NotreDame大学的B.F.Speneer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2-33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=𝑐0𝑥̇+𝑓𝑐𝑠𝑔𝑛(𝑥̇)（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={𝑐0𝑥̇+𝑓𝑐−𝑓𝑐𝐹𝑓𝑐𝑐0𝑥̇−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=𝑘1(𝑥2−𝑥1)+𝑐0(𝑥̇2−𝑥̇1)=𝑐0𝑥̇1+𝑓𝑐𝑠𝑔𝑛(𝑥̇1)=𝑘2(𝑥3−𝑥2)},|𝐹|𝑓𝑐，（3-3）𝐹=𝑘1(𝑥2−𝑥1)+𝑐0𝑥̇2=𝑘2(𝑥3−𝑥2)},|𝐹|≤𝑓𝑐式中，𝑐0是粘滞系数；𝑘1、𝑘2和𝑐1是与线性固体材料有关的系数，当|𝐹|≤𝑓𝑐时，𝑥1=0.（3）Bouc-Wen模型Bouc-Wen模型的曲线连续光滑，能够较好地反省减震器的力与速度关系，且易于进行数值计算，通用性很强，应用非常广泛。阻尼力表达式为F=𝑐0𝑥̇+𝑘0(𝑥−𝑥0)+𝛼𝑧（3-4）式中，滞变位移Z由下式给出𝑧̇=−𝛾|𝑥̇||𝑧||𝑧|𝑛−1−𝛽𝑥̇|𝑧|𝑛+𝐴𝑥̇（3-5）通过调整模型参数γ、β和A的取值，可以控制力—速度回程曲线的线性形状和屈服前后渐变段的光滑性。但它在速度很低部分仍不能和实验曲线很好地吻合。（4）Spencer模型Spencer和Dyke等人依据单出杆磁流变阻尼器的结构特点及性能实验结果，建立了如下的计算模型F=𝑐1𝑦̇+𝑘1(𝑥−𝑥0)(3-6)或者写为F=αz+𝑐0(𝑥̇−𝑦̇)+𝑘0(𝑥−𝑦)+𝑘1(𝑥−𝑥0)(3-7)其中，𝑧̇=−𝛾|𝑥̇−𝑦̇|𝑧|𝑧|𝑛−1−𝛽(𝑥̇−𝑦̇)|𝑧|𝑛+𝐴(𝑥̇−𝑦̇)𝑦̇=1(𝑐0+𝑐1){𝛼𝑧+𝑐0𝑥̇+𝑘0(𝑥−𝑦)}(3-8)式中，𝑘1表示蓄能器的刚度；𝑐0为高速阶段的粘滞阻尼系数；𝑐1表征低速段的粘性元件，用来产生力—速度关系中低速时的非线性衰减；𝑘0用来控制高速时的刚度；𝑥0为弹簧𝑘1的初始位移。该模型能与实验数据较好地吻合，对于描述磁流变阻尼器的性能比较准确。4反应分析4.1运动方程M𝑋̈+𝐶𝑋̇+𝐾𝑋=𝐷𝑆𝐹+𝐵𝑆𝑈𝑆(4-1)式中，𝐵𝑆是n×p维磁流变液阻尼器位置矩阵；𝑈𝑆是p×1维磁流变液阻尼器控制力。𝐵𝑆𝑈𝑆可分解为以下两个部分：𝐵𝑆𝑈𝑆=−𝐶𝑑𝑋̇+𝐵𝑠𝑈𝑠𝑦（4-2）式中，第一项是磁流变液阻尼器的被动粘滞阻尼力；第二项是磁流变液阻尼器按某种半主动控制算法实现的库伦阻尼力。将式（4-2）代入式（4-1），则结构磁流变阻尼控制系统的运动方程可以写成为M𝑋̈+(𝐶+𝐶𝑑)𝑋̇+𝐾𝑋=𝐷𝑆𝐹+𝐵𝑆𝑈𝑠𝑦（4-3）设状态向量Z(𝑡)=[𝑋(𝑡)𝑋̇(𝑡)],则相应于运动方程（4-3）的结构磁流变阻尼控制系统的状态方程可以表示为𝑍̇(𝑡)=𝐴𝑍(𝑡)+𝐵𝑈𝑠𝑦(𝑡)+𝐷𝐹(𝑡)(4-4a)Y(t)=𝐶0𝑍(𝑡)+𝐷0𝐹(𝑡)+𝐵0𝑈𝑠𝑦(𝑡)(4-4b)式中，A=[0𝑛𝐼𝑛−𝑀−1𝐾−𝑀−1(𝐶+𝐶𝑑]4.2半主动控制算法结构磁流变阻尼控制算法与主动控制方法类似，主要有以下三个要点：1）由状态方程（包括输出方程）按某种主动控制算法计算确定最优控制向量U（t）。2）参照主动最优控制力向量U(t)，考虑磁流变液阻尼器可能实现控制力的实际情况，尽可能地设定磁流变液阻尼器的控制力𝑈𝑠(𝑡)接近主动最优控制力U(t)。磁流变液阻尼器可能实现的控制力主要的限制是控制力方向是有限的。因为磁流变液阻尼器是以阻尼力的形式提供控制力，因此，只能提供与结构运动相反、也即阻止结构运动的控制力。该控制力是与阻尼器的相对速度方向相反的力。正因为这一原因，磁流变阻尼控制总是无条件稳定的，而且具有很好的鲁棒性。此外，与主动控制作动器相比，磁流变液阻尼器的最大阻尼力不是一个特殊的限制，因为，在可比的条件下两者的最大出力都是有限的。3）将磁流变液阻尼器的控制力转变为阻尼器的基本调节量—输入电流或电压。因为，磁流变液阻尼器的控制力只有通过调节输入电流或电压、改变阻尼器磁场强度并被动地依赖结构振动产生阻尼器间的相对速度才能实现。结构半主动磁流变阻尼控制算法基本上与主动变阻尼器控制算法相同，只是这里需要直接用磁流变液阻尼器的阻尼力来表达，而不是用阻尼系数表达。[参考文献][1]欧进萍.结构振动控制—主动、半主动和只能控制[M]北京：科学出版社，2003.11.296-363[2]李宏男，李忠献，祁皑，贾影.结构振动与控制[M]北京：中国建筑工业出版社，2005.391-399[3]刘斌，磁流变阻尼器及其研究进展[J].常州工学院学报，2005.1-5[4]邸龙,磁流变阻尼器对建筑结构的减震研究[D].西安建筑科技大学，2002,[5]李忠献,吴林林，徐龙河，周云，磁流变阻尼器的构造设计及其阻尼力性能的试验研究[J].地震工程与工程振动，2003