磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)與特性測(cè)試分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27901磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)與特性測(cè)試分析案例 126441.1磁流變阻尼器工作原理及結(jié)構(gòu) 1172921.2磁流變阻尼器工作模式的選擇 6288971.3磁流變阻尼器的阻尼特性分析 7306811.4磁流變阻尼器動(dòng)力學(xué)特性 9磁流變阻尼器的特性在于其剛度與阻尼的受控改變，并且其受控改變的過(guò)程是迅速且連續(xù)的，其能作為優(yōu)秀的智能材料在半自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用，進(jìn)行智能隔振等多種用途。當(dāng)磁流變阻尼器外部磁場(chǎng)通電發(fā)生改變時(shí)，使得磁流變彈性體中的磁流變液磁化，改變阻尼剛度等物理性質(zhì)，在磁化的作用下形成相互之間的強(qiáng)相互作用力。而當(dāng)磁化后的磁流變阻尼器受到外力的干擾時(shí)，材料內(nèi)部的強(qiáng)相互作用力將在內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的扭矩，以阻止結(jié)構(gòu)整體的變化以達(dá)到衰減外界干擾的作用。為了能夠成分發(fā)揮磁流變阻尼器連續(xù)可控、迅速反應(yīng)的優(yōu)秀特質(zhì)，為其進(jìn)行一套完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有所必要的。磁流變阻尼器工作原理及結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。1-蓄能器2-膜片3-磁流變液4-環(huán)形節(jié)流通道5-線圈6-密封圈7-線圈導(dǎo)線磁流變阻尼器的典型結(jié)構(gòu)圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)通電線圈經(jīng)過(guò)活塞桿從內(nèi)引出，固定在活塞桿與導(dǎo)線孔中間間隙的部位。為保持線圈在工作環(huán)境中不會(huì)輕易受到改變，將其纏繞在了活塞上的固定凹槽上?；钊庖恢苁墙?jīng)過(guò)特殊加工形成的具有特定樣式的環(huán)形空間，被稱之為磁流變阻尼器的節(jié)流通道，節(jié)流通道一般有旁路式、蜿蜒式或折疊式等不同的設(shè)計(jì)方案，其目的始終在于連接磁流變阻尼器左右腔室，本文采用的磁流變阻尼器使用的旁路式節(jié)流通道。磁流變阻尼器內(nèi)部不僅有牛頓流體磁流變液，也會(huì)存在高壓氣體以便調(diào)節(jié)內(nèi)部磁流變液的物理特性。相較于一般的液壓阻尼器，磁流變阻尼器在基本結(jié)構(gòu)上與之有很多相似的地方，因?yàn)槎弑举|(zhì)上都是利用了流體的阻尼特性而制作的。不同點(diǎn)在于，磁流變阻尼器的節(jié)流通道即使種類多變，但整體而言依然只是環(huán)形的單一簡(jiǎn)單的流體通道，不像液壓阻尼一樣會(huì)在流體通道中加入更為復(fù)雜的裝置（例如液壓閥等）輔助其完成性能價(jià)值。另外，二者之間最大的區(qū)別在于磁流變阻尼器性能多變，在外加磁場(chǎng)的變化下能體現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，所以會(huì)在活塞上纏繞線圈以便于通過(guò)勵(lì)磁電流改變磁流變液所受磁場(chǎng)的大小。相對(duì)而言，因?yàn)榇帕髯冏枘崞鞯闹饕阅荏w現(xiàn)在了施加了勵(lì)磁電流后因磁場(chǎng)改變而產(chǎn)生物理性質(zhì)改變的磁流變液上，所以其外部包裹的結(jié)構(gòu)反而不需要過(guò)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，只需要保證流體通道中的磁流變液移動(dòng)盡量保持不受到腔缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的阻礙，使得其性能在固定的勵(lì)磁電流影響下長(zhǎng)期保持一定穩(wěn)定的狀態(tài)。整體零件加工的精度也不需要追求極高的標(biāo)準(zhǔn)，這使得磁流變阻尼器在加工上顯得比較容易。磁流變液的密封環(huán)境一般由兩個(gè)部分構(gòu)成，一是缸體與端蓋之間使用常規(guī)的O型圈密封，屬于靜態(tài)密封；二是活塞與缸體之間使用唇形密封圈，屬于滑動(dòng)密封。二者結(jié)合保證了磁流變液在阻尼器使用階段的穩(wěn)定性。磁流變阻尼器的工作過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在外加勵(lì)磁電流的激勵(lì)下，改變了磁流變液的阻尼剛度等物理性質(zhì)，使得所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度與加速度產(chǎn)生變化。在往復(fù)運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離原點(diǎn)的過(guò)程中，勵(lì)磁電流增大，阻礙其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)回歸原點(diǎn)是，勵(lì)磁電流減小，加快其恢復(fù)效率。活塞在缸體中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，磁流變液會(huì)在流體通道內(nèi)流動(dòng)，并通過(guò)連接左右腔室的節(jié)流通道完成各個(gè)位置的磁流變液的交換流動(dòng)。通電后，流體通道內(nèi)形成一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)，如圖2.2所示，在流體通道內(nèi)的磁場(chǎng)方向與對(duì)應(yīng)區(qū)域的磁流變液流動(dòng)方向是相互垂直的狀態(tài)。磁流變液在磁場(chǎng)中形成“磁鏈”，不再是一般的牛頓流體，而是Bingham半固體的狀態(tài)，并產(chǎn)生了能夠控制的阻尼力。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12流體通道內(nèi)磁場(chǎng)分布示意圖由于本文所用的磁流變阻尼器工作模式是通過(guò)活塞的運(yùn)動(dòng)與磁流變液之間形成相互運(yùn)動(dòng)的剪切工作模式，所以上述磁流變阻尼器所產(chǎn)生的阻尼力，包括了磁流變液的庫(kù)倫阻尼力（與磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度相關(guān)）、粘滯阻尼力（與磁流變液的粘度相關(guān)）以及活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與磁流變阻尼器筒體結(jié)構(gòu)之間的摩擦力。在磁路允許范圍內(nèi)，通過(guò)改變外加電流的大小，可以改變磁流變液的物理性質(zhì)，即改變了其剪切屈服強(qiáng)度，從而可以達(dá)到對(duì)于阻尼力的調(diào)節(jié)作用。磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)包括了阻尼器外殼、活塞單元和活塞桿，如圖2.3所示。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s13磁流變阻尼器模型活塞單元的具體外形尺寸如圖2.4所示，數(shù)據(jù)由表2.1列出。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s14活塞單元的結(jié)構(gòu)尺寸

表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11活塞單元主要尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)符號(hào)數(shù)值活塞桿半徑r15mm磁環(huán)半徑r218.5mm活塞半徑R25mm活塞長(zhǎng)度L35mm流體通道長(zhǎng)度L19mm磁流變液腔體外絕磁壁厚度t1mm本文所用磁流變阻尼器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)由表2.2列出，整體組件實(shí)物圖見圖2.5所示。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s12磁流變阻尼器相關(guān)技術(shù)參數(shù)參數(shù)數(shù)值筒體外徑60mm活塞工作行程±18mm磁流變液腔室容積98.1ml質(zhì)量4.3kg工作電流范圍0-3A磁流變液密度3.08e3kg/m3磁流變液粘度0.092Pa?s線圈匝數(shù)400匝圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s15磁流變阻尼器實(shí)物組件磁流變阻尼器工作模式的選擇在了解了基本的結(jié)構(gòu)以及工作原理后，為了將磁流變阻尼器用于智能半主動(dòng)隔振的工作中，還需要對(duì)于磁流變阻尼器的兩種工作狀態(tài)有一定的認(rèn)知，并加以選擇。兩種工作模式分別為剪切模式和擠壓模式。1.剪切模式剪切模式發(fā)生在磁流變液的移動(dòng)被限制在緊貼的兩個(gè)平板之間時(shí)，兩個(gè)平板相互平行并可以發(fā)生一定范圍內(nèi)的相互移動(dòng)。與兩平板垂直的方向施加磁場(chǎng)，磁流變液受到外加磁場(chǎng)形成Bingham半固體時(shí)，會(huì)在磁場(chǎng)方向上以磁鏈的形式排列。剪切式磁流變阻尼器的運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)在兩平板間，所以在外加磁場(chǎng)的加持下，兩平板垂直于磁場(chǎng)方向移動(dòng)，在磁場(chǎng)方向成鏈狀排列的磁流變液即會(huì)受到來(lái)自于平板的剪切作用力。此時(shí)，可以認(rèn)為磁流變阻尼器工作在剪切模式。2.擠壓模式磁流變阻尼器的擠壓工作模式相對(duì)于剪切工作模式有很多的相似點(diǎn)，擠壓模式也發(fā)生在磁流變液的移動(dòng)被限制在緊貼的兩個(gè)平板之間時(shí)，兩個(gè)平板相互平行并可以發(fā)生一定范圍內(nèi)的相互移動(dòng)。與剪切模式不同過(guò)的在于，平板的相對(duì)移動(dòng)方向垂直于平板。在兩平板平行的方向施加磁場(chǎng)，磁流變液受到外加磁場(chǎng)形成Bingham半固體時(shí)，會(huì)在磁場(chǎng)方向上以磁鏈的形式排列。擠壓式磁流變阻尼器所以在外加磁場(chǎng)的加持下，兩平板垂直于磁場(chǎng)方向移動(dòng)，在磁場(chǎng)方向成鏈狀排列的磁流變液即會(huì)受到來(lái)自于平板的擠壓作用力。此時(shí)，可以認(rèn)為磁流變阻尼器工作在擠壓模式。相比于剪切工作模式，擠壓工作模式下，和磁流變彈性體磁性顆粒成鏈方向相同的不再是磁場(chǎng)方向，而是兩平板移動(dòng)方向，其余工作條件均與剪切工作模式相同。當(dāng)兩平板距離縮小時(shí)，磁流變彈性體處于壓縮的工作狀態(tài)。研究表明，在沒有外加的勵(lì)磁電流，磁流變阻尼器暴露在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0的空間時(shí)，單獨(dú)比較剪切模式與擠壓模式的兩種磁流變阻尼器，會(huì)發(fā)在進(jìn)行相同的運(yùn)動(dòng)模式的前提下，剪切模式下產(chǎn)生的剪切模量與擠壓模式下的壓縮模量有較大的差距，后者為前者的兩倍。而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零時(shí)，二者的模量變化取值基本相同，但是當(dāng)工作在剪切模式時(shí)，磁流變阻尼器能夠獲得更大的磁流變效應(yīng)。所以為了能夠使得磁流變阻尼器獲得更好的隔振效果，而又不在設(shè)計(jì)上出現(xiàn)發(fā)雜冗余的現(xiàn)象，故使用單一工作模式并僅僅選擇剪切模式來(lái)進(jìn)行磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)。磁流變阻尼器的阻尼特性分析通常情況下，研究磁流變阻尼器的磁流變液基本工作模式一般分為剪切模式和擠壓模式。本文在此選擇剪切模式。磁流變阻尼器的阻尼力大小可以表示為： F=(?Pa+?Pml)AP (STYLEREF1\s2.式中?P?PAP AP=πR2?πr2+g2?r式中R——活塞的半徑；r2r2g——節(jié)流通道的厚度。通過(guò)節(jié)流通道的壓降?P ?Pa=?Pη+?Pτ (STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s1?Pη和 ?Pη=6ηQLπg(shù)3r2+g/2 ?Pτ=2cτy(L1+L2)式中η——無(wú)磁場(chǎng)作用下的磁流變液的粘度；Q——磁流變液通過(guò)節(jié)流通道的體積流量；L——是節(jié)流通道的長(zhǎng)度；L1、Lτyc——與體積流量和屈服應(yīng)力相關(guān)的系數(shù)。如果活塞的速度用Vp表示，則體積流量Q和系數(shù)c Q=APVp (STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s16) c=2.07+12Qη12Qη+0.8π(r2+g/2)t2次要壓降損失?P ?Pml=ρ2?2vd2Kml (STYLEREF1\s式中ρ——磁流變液的密度;vdKml聯(lián)立公式得到磁流變阻尼器的阻尼力可表示為： F=AP6ηQLπg(shù)3r2+g2+

磁流變阻尼器動(dòng)力學(xué)特性磁流變阻尼器的簡(jiǎn)易模型如圖2.6所示，kM和cM分別為阻尼器的等效剛度和等效阻尼，m為負(fù)載質(zhì)量，x0圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s16磁流變阻尼器的簡(jiǎn)易模型假設(shè)基礎(chǔ)激勵(lì)x0 mx1=kx0?x1+c(x0假設(shè)相對(duì)位移u=x mu+cu+ku=?mx0=mω2令cm=2ζω u+2ζωnu+ωn2u=ω2Asinωt上式的解由通解u1(t)和特解 B=A?v21?v22+2ζv2 φ=tg?12ζv1?v2 (STYLEREF1\s2.上式中v=ωω由于磁流變阻尼器的等效剛度遠(yuǎn)大于等效阻尼，故式通解u1 u1t=e?ζωnt(B1cosω其中ωd=ωn1?ζ2，B1和B2 B1=u0+Bsinφ (STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s116) B2=u0+ζωnu0+Bsinφ?Bωcosφ故可得相對(duì)位移為： u=Bsinωt?φ+e?ζωntu0 +B從上式結(jié)構(gòu)中可以得知，第一個(gè)分量為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)環(huán)節(jié)，在磁流變阻尼器模型的的動(dòng)力特性中，可以將其視為單一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的純粹的強(qiáng)迫振動(dòng)。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)頻率與系統(tǒng)的基礎(chǔ)頻率相同，振幅大小也只與當(dāng)前條件下的外界激勵(lì)有關(guān)。所以當(dāng)負(fù)載質(zhì)量的絕對(duì)位移穩(wěn)定時(shí)為： x1=tg?1(?BsinφA+Bcosφ)sin?(ωt?φ)磁流變阻尼器的加速度傳遞率T為負(fù)載加速度的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值與基礎(chǔ)激勵(lì)加速度幅值之比，即： T=a1a0=1+2ζv21?v22解得當(dāng)頻率比v=ωω Tmax=4ζ216ζ4?8ζ2?2+21+8ζ以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試不同勵(lì)磁電流下磁流變阻尼器的加速度傳遞率曲線，并辨識(shí)不同電流下系統(tǒng)的等效剛度和等效阻尼。試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖2.7所示。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s17磁流變阻尼器加速度掃頻試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s18磁流變阻尼器加速度掃頻試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)定各已知量如表2.3所示表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s13掃頻試驗(yàn)設(shè)定數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定值負(fù)載質(zhì)量3kg掃頻信號(hào)幅值0.2g頻率范圍100Hz~300Hz勵(lì)磁電流0、1、2、3A通過(guò)磁流變阻尼器加速度掃頻試驗(yàn)，能夠得到在不同的勵(lì)磁電流激勵(lì)下磁流變阻尼器的幅頻響應(yīng)曲線（加速度傳遞率曲線）和相頻響應(yīng)曲線如圖2.9所示。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARA