基于磁流變液體阻尼器的半主動控制系統實驗

任 亮， 董其明， 常葆榮

(1. 大連理工大學 物理與光電工程學院， 遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

基于磁流變液體阻尼器的半主動控制系統實驗

任 亮1， 董其明2， 常葆榮2

(1. 大連理工大學 物理與光電工程學院， 遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

設計制作了基于磁流變液體阻尼器的半主動控制減振系統。首先設計振動控制系統的模型，并且根據設計模型，對構件進行加工制作，得到減振控制系統實物，然后通過實物模擬實驗對其振動控制效果進行驗證。振動控制實驗結果表明，該系統對結構振動的控制效果很顯著。通過實驗，使學生了解磁流變阻尼器的在實際工程中的應用，將理論與實踐相結合，激發學生們的興趣和積極性。

磁流變液體； 半主動控制； 減振

本實驗目的在于加深學生對磁流變液體在磁場作用下的流變機理及行為特點的理解，了解磁流變阻尼器在振動控制中應用的工作原理，提高學生工程應用的能力。

土木工程結構承受著各種各樣的動荷載，包括風、浪、地震和車輛荷載。這些動荷載會引起嚴重且持續的振動，對結構和結構構件均有害。提高房屋建筑結構的抗震性能和高層建筑結構的抗風性能是減輕動力作用危害，加強區域安全的基本措施之一，是土木工程領域所面臨的重大課題。結構振動控制可以有效地減輕結構在風和地震等動力作用下的反應和損傷、有效地提高結構的抗震能力和抗災性能。

國內在磁流變控制技術研究方面起步比較晚，在20世紀90年代中期才開始對磁流變技術進行研究。目前已經在磁流變機理、材料制作和工程應用方面取得了一些成就。本文研究了磁流變的機理以及基本力學模型，并對磁流變控制進行了一定的分析和研究。

1 磁流變液體阻尼器原理

磁流變液體是一種可控液體，在變化的外加磁場作用下，其流變行為也隨之變化。磁流變液體能夠在外加磁場作用下由黏度較低的牛頓液體轉變為低流動性且有較高黏度的賓漢姆(Bingham)流體[1-2]。未加磁場時，磁流變液體表現為牛頓流體特性，其剪切屈服強度等于黏度與剪切率的乘積；在外加磁場作用下，磁流變液體表現為賓漢姆流體的特性，其剪切屈服強度由液體的黏滯力和屈服應力組成[3-4]，其流變特性的改變表現為屈服強度隨磁場強度的增加而單調增加，當外加磁場達到某一臨界值時，磁流變液體停止流動而固化。這個變化過程是可逆的，當去掉外加磁場時，它又恢復到原來的牛頓流體狀態，其響應時間非常短，僅為幾毫秒[5-8]。

顯微鏡下觀察發現：無磁場時，磁性顆粒的分布雜亂無章；施加磁場后，磁性顆粒在磁極間沿磁場方向形成粒子鏈(見圖1)，使得流體的正常流動受到阻礙，變成低流動性的賓漢姆流體。當磁場強度較弱時，形成的粒子鏈數量少、長度短、直徑細，剪斷它們所需外力較小，相應的剪切屈服強度也較低；隨著外加磁場強度不斷增大,鏈數量增加、長度加長、直徑變粗,剪斷它們所需要的外力增加，相應的剪切屈服強度也提高[9]。

圖1 有無磁場作用下磁性粒子分布圖

本文設計的半主動控制減振實驗系統，是利用磁流變液體的該特性制作的簡易阻尼器進行減振實驗。

2 實驗系統設計與實現

在磁流變液體容器兩側放置自制的電磁鐵，施加磁場時，磁流變液體由牛頓液體快速地轉變為低流動性且高黏度的Bingham流體，剪切屈服應力明顯增加，從而改變結構的阻尼特性，達到減振目的[10-11]。

2.1 實物模型制作

為了驗證磁流變液體阻尼器的減振控制系統的控制效果，利用實體模型(見圖2)進行實驗，本實驗模型采用簡單的單層框架結構。框架兩側采用1 mm厚彈簧鋼材料，結構頂板材料為3 mm厚鋁板，磁流變液體容器材料為有機玻璃，其余材料均為鋼。系統上部的電機上固定懸臂，在懸臂端固定50 g鉛塊。梯形板插入容器中的磁流變液體中。當電機旋轉時，懸臂帶動鉛塊轉動，從而對整個結構施加簡諧激勵。

圖2 基于MR的振動控制系統實物圖

2.2 電磁鐵的設計

需要設計并制作電磁鐵來控制磁場強度，其中電磁線圈匝數計算如下：

線圈內徑0.02 m，長度0.05 m。磁感應強度：

(1)

其中，存在縫隙的鐵的磁導率為

設計中使用的磁流變液的剪切屈服應力-磁感應強度曲線見圖3。

圖3 磁感應強度-剪切屈服應力曲線

當控制電流I=2A時(假定)，由式(1)得N=950匝。

由上述計算可知，950匝線圈能夠滿足磁感應強度0.3 T的要求。但考慮到漏磁現象及保守設計等因素，設計中采用2組600匝線圈分別置于磁流變容器兩側，理論上2個電磁鐵磁場疊加能達到0.3 T以上的磁場強度，通過繞線機在鐵芯外纏繞漆包線，得到2

個含600匝線圈的電磁鐵。電磁鐵制作完畢后，將兩個電磁鐵分別固定在磁流變容器兩側的中間位置，并將其串聯到開關電源上。

3 實驗過程

將制作的減振控制系統固定在實驗臺上，在結構的一塊側板頂部固定加速度傳感器。通過結構頂部電機帶動鉛塊的旋轉對結構施加諧振激勵，利用LC01系列內裝IC壓電加速度傳感器采集加速度數據。

對電機通電，首先不對電磁鐵通電，并采集一段時間(5s)的加速度數據；然后對電磁鐵通電，調節電流分別為0.5～2 A不等，從而產生不同大小的磁場(用特斯拉計測得幾個電流下的磁場強度見表1)施加于磁流變液體，使其產生磁流變效應，并采集不同電流狀態下的加速度數據。

表1 不同強度電流所產生的磁感應強度

4 實驗結果與分析

將采集到的加速度數據繪制成時程曲線，便得到有控(通電)與無控(不通電)時對應的上部結構加速度時程曲線對比圖(見圖4)。圖中藍色曲線為有控時的加速度時程曲線，而紅色曲線為無控時的加速度時程曲線。

圖4 無控和有控時加速度時程曲線對比

為了更直觀地觀察控制減振效果，引入減振效率R，計算公式：

根據采集到的加速度數據，得到不同電流下的減振效率，繪制減振效率與電流強度的關系曲線見圖5。

圖5 減振效率與電流強度的關系曲線

實驗結果表明：

(1) 磁流變液體在磁場下能夠由牛頓液體可逆地轉變為賓漢姆流體這一特性能夠在毫秒級的時間內完成，固化后的磁流變液體改變了結構的整體阻尼，減振效果明顯；

(2) 電流越大，產生的磁場越大，從而磁流變液的屈服強度越大，基于磁流變液體的半主動控制系統的控制效果也越明顯。

5 結束語

實踐教學是理論教學與具體實踐相結合，鞏固理論教學、培養學生綜合運用所學理論知識和實際操作能力的重要環節[12]。本實驗中，基于工程實際中的新型材料——磁流變液體的磁流變效應進行實驗，得到了很好的減振控制效果。通過實驗幫助學生將理論知識和實踐聯系起來，能更好地理解磁流變液體在實際應用中的工作原理，激發學生對磁流變阻尼器的興趣，幫助學生理解理論知識，提高學生的工程應用能力。

磁流變減振動裝置是應用磁流變液體在強磁場下的快速可逆流變特性而制造的一種新型減振動裝置，由于磁流變液阻尼器在外界磁場的作用下，表現出較強的黏塑性，在振動控制領域具有較為廣闊的應用前景。尤其在橋梁、機械制造、建筑等震動控制領域，具有廣泛的應用前景。因此，研究磁流變液阻尼器在減震控制中的作用具有很重要的實際意義。

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Experiment of semi-active control system based on MR damper

Ren Liang1， Dong Qiming2，Chang Baorong2

(1. School of Physics and Optoelectronic Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024, China;2. Faculty of Infrastructure engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024, China)

This article is about the model design and simulation test based on the semi-active control technique which is based on the magneto-rheological fluids (MRF).According to the characteristics of the vibration control technique,the model of vibration control system is designed.Physical prototype is machined based on the design.The experiment verifies the effectiveness of the designed control system.The results of the experiment demonstrate that the structural vibration control effect of the system is very significant.The students can not only master the application of MR damper,link up theory with practice,but also motivate them to have interests and enthusiasm in MR damper.

magneto-rheological fluid; semi-active control; vibration reduction

2014- 10- 13

國家自然科學基金面上項目(51108059)資助

任亮 (1979—)，男，山西介休，博士，副教授，主要從事結構健康監測及光纖傳感技術.

E-mail：renliang@dlut.edu.cn

TB381； TU352.1

A

1002-4956(2015)5- 0086- 04