磁流變阻尼器抗爆結(jié)構(gòu)隔震的研究

磁浮液和磁流效應(yīng)由jacob拉賓在20世紀40年代發(fā)現(xiàn)。作為一種半主動控制系統(tǒng),磁流變阻尼器(Magnetorheologicaldamper,簡稱MRD)在不需要消耗大量能源的情況下可以接近或達到主動控制的效果,而且可以單獨依靠電池工作,在發(fā)生戰(zhàn)爭或地震時停電的情況下具有獨特的優(yōu)越性。而且,半主動控制系統(tǒng)不會對建筑物施加附加的能量,不會引起建筑物的不穩(wěn)定。研究表明,采取適當?shù)目刂拼胧?對于不同的荷載,半主動系統(tǒng)可以取得比被動控制系統(tǒng)好得多的隔震效果,甚至有時可以取得比主動控制更好的效果。所以,MRD在建筑物抗地震及風(fēng)荷載等情況中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前,MRD已經(jīng)應(yīng)用于汽車的懸掛系統(tǒng)、火炮底盤、機器人關(guān)節(jié)、飛機起落架等場所的減震與隔震。但MRD開始應(yīng)用于抗沖擊爆炸結(jié)構(gòu)的隔震僅僅是最近幾年的事,Ali等人首先實驗研究了MRD用于海上平臺的抗爆隔墻,發(fā)現(xiàn)MRD對隔墻提供的控制力可以有效減小隔墻的震動。ChoiandWereley研究了軍用車輛中磁流變座椅懸掛系統(tǒng)及座椅上的人在沖擊荷載作用下的響應(yīng),并開發(fā)了一套MRD的半主動非線性控制系統(tǒng)。本文首先介紹了MRD的力學(xué)特性和控制方法,并分析比較了MRD兩種最常用本構(gòu)模型的優(yōu)缺點;在仔細研究了抗爆結(jié)構(gòu)荷載與結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)特點的基礎(chǔ)上,提出了MRD的階躍電流控制方法,然后利用MatlabSimulink對沖擊荷載作用下MRD的隔震進行了模擬分析,比較了在不同結(jié)構(gòu)自振頻率下MRD的隔震性能,并與PGG鋼絲繩彈簧的隔震效果進行了比較。1bouc-wn模型的改進MRF是一種智能材料,它的性質(zhì)特別是屈服應(yīng)力可以隨著磁場的變化而變化。在土木工程中應(yīng)用的典型MRD通常由MRF、缸體、活塞、連桿、線圈、電流控制系統(tǒng)等幾部分組成?；钊倪\動使得MRF在活塞孔及活塞與缸體間的環(huán)狀間隙內(nèi)流動而產(chǎn)生阻尼力,通過調(diào)整線圈電流改變MRF所處的磁場,從而改變MRF的屈服應(yīng)力,調(diào)整MRD輸出阻尼力的大小。對MRD隔震系統(tǒng)進行控制就是根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)調(diào)整輸入電流,從而控制MRD產(chǎn)生的阻尼力,其中控制是否成功的關(guān)鍵是采用合適的MRF的本構(gòu)模型。目前常用Bingham粘塑性模型和Bouc-Wen唯象模型來描述MRF的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。其中Bingham模型物理意義明確,參數(shù)少,易于編程實現(xiàn),所以該模型及其改進形式得到了最廣泛的應(yīng)用。但由于Bingham模型將小應(yīng)變情況下將屈服前磁流變液體簡單視為剛體而忽略其粘彈性特性,導(dǎo)致該模型雖能較好地模擬磁流變阻尼器的力與位移關(guān)系,但不能很好地反映力與速度關(guān)系的非線性滯回特性,尤其是在速度很小且位移和速度同向(或速度和加速度反向)的情況下會產(chǎn)生更大的誤差。所以Bingham模型只適用于研究MRF本身的特性而不適合于控制。Bouc-Wen唯象模型能夠描述磁流變阻尼器在低速時的非線性性能、力與速度及位移的關(guān)系、耗能性能及時滯效應(yīng)。但是,該模型待定參數(shù)多,確定這些參數(shù)及編程計算都相對比較復(fù)雜。由于該模型是目前模擬MRD特性精度最高的模型,目前仍得到較多的應(yīng)用。Bouc-Wen模型的力與速度及位移關(guān)系可表示為:Fd=c0x˙+k0(x?x0)+αzFd=c0x˙+k0(x-x0)+αz(1)其中,漸近變量z由下式控制,z˙=?γ|x˙|z|z|n?1?βx˙|z|n+Ax˙z˙=-γ|x˙|z|z|n-1-βx˙|z|n+Ax˙(2)其中,c0,k0,α,γ,β,A均為與磁流變體本身性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。改進的Bouc-Wen模型把c0,k0,α,γ,β,A看作電流I的函數(shù),其中A=1,,β=0其他參數(shù)的表達式如下:其中,c1,c2,c3,c4,k1,k2,α1,α2,α3,α4,γ1,γ2,Fz01,Fz02,Fz03,Fz04均為與MRF本身性質(zhì)有關(guān)的常數(shù),通常需要通過實驗來確定。利用該模型得到的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較如圖1所示。從圖中可以看出改進Bouc-Wen模型可以準確模擬MRD阻尼力與速度及位移的關(guān)系。為了提高模擬精度,本文采用該模型來模擬MRD的阻尼力隨電流、速度及位移的變化關(guān)系。2振動劑量值在人員隔震標準中,加速度容許值標準被廣泛采用,由于該標準未考慮作用時間的影響,存在明顯的缺陷,文獻提出加速度沖量容許值標準,考慮了沖擊震動作用時間的影響,但該標準僅簡單將加速度與作用時間的乘積作為容許值,沒有考慮沖擊震動波形及頻率結(jié)構(gòu)的影響。隨后,文獻將Griffin提出的振動劑量值(VDV)方法,引入爆炸沖擊震動人員隔震標準的研究中,VDV標準考慮了沖擊震動波形、頻率結(jié)構(gòu)、作用時間和人體頻響特性對人員耐受限的影響,因而更為合理,在豎直方向,其表達式為:VDV=(∫T0(wba(t))4dt)1/4VDV=(∫0Τ(wba(t))4dt)1/4(9)式中,VDV為振動劑量值(m·s-1.75),a(t)為加速度時程(m·s-2),T為沖擊振動作用時間(s)。沖擊振動所給的頻率加權(quán)公式為:式中,Hb和Hd分別是人體的垂向和水平方向傳遞函數(shù);wb和wd分別是垂向和水平方向的頻率加權(quán);s=j2πf是虛角頻率;Qn(n=2～4)為共振品質(zhì)因素;fn(n=3～6)是傳遞函數(shù)的共振頻率,其值如表1所示。一般情況下可以取VDV=25m·s-1.75作為爆炸沖擊振動下保證人員安全的容許振動劑量值。3數(shù)值模擬3.1md的運行為了分析方便,假定在爆炸沖擊荷載作用下的工程結(jié)構(gòu)可以簡化為單自由度系統(tǒng),加入MRD后,其運動方程可寫為:mx??+cx˙+kx=?Fd?maf(t)mx??+cx˙+kx=-Fd-maf(t)(9)其中,m,c,k分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和剛度系數(shù),af(t)為輸入的加速度(典型的輸入加速度波形如圖2所示),Fd為MRD附加的阻尼力。對方程(9)稍作變換可得:x??+2ξωx˙+ω2x=?Fdm?af(t)x??+2ξωx˙+ω2x=-Fdm-af(t)(10)其中,ω=km??√ω=km為系統(tǒng)的自振圓頻率,ξ為阻尼比。3.2模糊控制思想控制方法是影響MRD隔震效果的主要因素之一。目前,對MRD的控制一般采用、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法等。所謂雙態(tài)控制即開關(guān)控制,基本做法是:當被隔震結(jié)構(gòu)位移與速度同向時切斷電源,使阻尼器提供較小的阻尼力,以防止加速度被放大;當位移與速度反向時電流加到最大,提供較大的阻尼力,使結(jié)構(gòu)振動盡快衰減。三態(tài)控制是在雙態(tài)控制的基礎(chǔ)上增加一個中間狀態(tài),以減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度的突變。為了克服雙態(tài)、三態(tài)控制過于粗糙的缺點,引入模糊控制,在結(jié)構(gòu)振動全過程對MRD提供的阻尼力進行控制,其基本思想如圖3所示。從圖中可以看出,輸入電流I由結(jié)構(gòu)響應(yīng)和作用在結(jié)構(gòu)上的荷載共同決定,對于給定的MRD,控制力Fd由電流和結(jié)構(gòu)的速度位移響應(yīng)共同確定。為了達到最佳的控制效果,希望控制系統(tǒng)的反應(yīng)是實時的,但實際上,MRF的相變過程和控制系統(tǒng)的反應(yīng)都需要一定的時間,因此MRD所提供的“最優(yōu)”控制力總是滯后于系統(tǒng)反應(yīng)。解決這個問題一方面需要研制相變時間更短的MRF和響應(yīng)時間更短的控制系統(tǒng),另一方面可以采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法,對控制系統(tǒng)進行訓(xùn)練,結(jié)合模糊控制算法,使MRD提前作動,在合適時刻提供最優(yōu)的阻尼力。對于抗爆結(jié)構(gòu)的控制,考慮到結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度為主要的控制指標,同時兼顧位移,因此其基本控制思想為:為避免加速度峰值被放大,當結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度較大時,施加較小的阻尼力,位移較大時施加較大的阻尼力,控制規(guī)則如表2所示。仔細研究輸入的爆炸荷載特點發(fā)現(xiàn):在地沖擊作用下,荷載作用時間很短;而結(jié)構(gòu)頻率較低,振動峰值的出現(xiàn)一般晚于荷載作用峰值,振動過程在大部分時間內(nèi)都是自由振動。因此對MRD的控制可以采取以下簡單的控制方法:在結(jié)構(gòu)加速度峰值到達之前切斷電源,電流為零,施加較小的阻尼力避免結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度峰值放大,在結(jié)構(gòu)加速度峰值到達之后開始下降時把電流加到最大,并在振動過程中一直保持,使結(jié)構(gòu)振動盡快衰減。根據(jù)施加控制電流的特點,可以將以上描述的控制方法稱之為“階躍電流”控制方法。3.3在抗爆結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用鋼絲繩彈簧隔震器具有性能穩(wěn)定、使用方便、阻尼比大的特點,其最大等效阻尼比可以達到0.2,目前在土木工程抗爆結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。為比較MRD隔震效果,本文對一種PGG鋼絲繩彈簧隔震器進行了數(shù)值模擬,其等效阻尼比為0.2,剛度表達式為:k=0.18904-0.00187y+6.71035×10-6y2(kN/mm)(11)3.4階躍電流控制與模糊控制的vdv比較為求解方程(10),引入MatlabSimulink,它采用圖形界面的方式,使用時可以避免復(fù)雜耗時的編程過程。使用者只要選用合適的模塊并以正確的形式把這些模塊組織起來即可(如圖4),復(fù)雜的計算過程留給計算機完成即可。MRD采用Lord公司生產(chǎn)的RD-1005-3型阻尼器,其計算參數(shù)列于表3。為了降低結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的峰值,要求結(jié)構(gòu)的自振頻率越低越好,但是,自振頻率過低將很難保證結(jié)構(gòu)平時使用的穩(wěn)定性,因此,防護工程隔震系統(tǒng)的自振頻率一般在3Hz～5Hz之間。采用鋼絲繩彈簧隔震及MRD隔震計算結(jié)果的比較如圖5所示,其VDV數(shù)值列于表4。為了檢驗本文提出的控制方法的效果,文中還將階躍電流控制與模糊控制的計算結(jié)果作了比較(圖6)。從圖5可以看出,采用MRD隔震與鋼絲繩彈簧隔震相比,其加速度與位移響應(yīng)均有顯著降低。當結(jié)構(gòu)自振頻率分別為3Hz、4Hz、5Hz時,在兩種隔震方式作用下,結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)第一個峰值大小基本相同,比輸入加速度峰值分別降低了78%、67%、54%,說明結(jié)構(gòu)自振頻率越低,隔震效果越好。但是,采用MRD隔震時,結(jié)構(gòu)加速度到達峰值后衰減很快,經(jīng)過一個周期的振動后,加速度很快衰減為零,而采用鋼絲繩彈簧隔震時,在荷載作用過后,結(jié)構(gòu)振動衰減比較緩慢。采用MRD隔震時結(jié)構(gòu)的位移行程(正負位移最大值之差)分別比采用鋼絲繩彈簧隔震時減少25%、23%、24%,MRD對結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的作用效果比較明顯,不同系統(tǒng)自振頻率對MRD位移的隔震效果影響不大。從表4可以看出,在隔震系統(tǒng)加入MRD后,可以顯著降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)的振動劑量值。按照VDV標準,在結(jié)構(gòu)自振頻率3Hz時,采取兩種隔震方式均能滿足人員安全隔震的要求,當結(jié)構(gòu)自振頻率為4Hz和5Hz時,采用鋼絲繩彈簧隔震將不能滿足人員安全的要求,而采用MRD隔震則可以達到人員安全隔震的VDV標準要求。從圖6可以看出,階躍電流控制與模糊控制相比較,當結(jié)構(gòu)自振頻率3Hz時,結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度峰值由28.2m/s2降到22.9m/s2,降低了19%,而且結(jié)構(gòu)振動衰減更快。結(jié)構(gòu)的負向位移由49.1mm增加到51.8cm,但正向位移由44.9mm降到12.7mm,因此在階躍電流控制方法作用下,結(jié)構(gòu)的行程仍比模糊控制時減少了31%。兩種控制方式下,結(jié)構(gòu)響應(yīng)VDV值分別為10.9和12.6m·s-1.75,在階躍電流控制條件下,VDV值降低了14%。4md隔震與mdi-vdv的結(jié)合本文在分析MRF和MRD基本力學(xué)特性的基礎(chǔ)上,提出了在抗爆結(jié)構(gòu)中MRD的階躍電流控制方法,利用MatlabSimulink仿真軟件對沖擊爆炸荷載作用下采用MRD隔震的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了數(shù)值模擬,通過計算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:1)與被動阻尼隔震方法相比,采用MRD隔震可以大大改善結(jié)構(gòu)振動的加速度和位移響應(yīng),對結(jié)構(gòu)位移的控制,效果尤為