基于性能最优的磁流变阻尼器励磁线圈缠绕方法研究

    磁流变阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，在结构振动控制和冲击隔离领域具有很大的应用价值。可调范围、可控阻尼力和响应时间是磁流变阻尼器的三个重要的性能参数^[1]。为提高磁流变阻尼器的性能，各国学者从不同角度进行了研究。曹磊等^[2]运用试验的方法研究了磁流变阻尼器的力学性能；冯志敏等^[3]研究了磁流变液中磁性颗粒的沉淀现象对阻尼器动力性能的影响；兰文奎等^[4]运用有限元法对磁流变阻尼器不同结构模型的磁场分布进行了分析；王宇飞^[5]从磁路利用率和磁场分布方面对多阶段活塞式磁流变阻尼器电磁线圈进行了研究；Koo. 等^[6]对磁流变阻尼器的响应时间及其影响因素进行了研究分析，这些研究都取得了相应的理论与试验成果。

    对于双线圈活塞式磁流变阻尼器，励磁线圈的不同缠绕方法将直接影响磁流变阻尼器的性能。为增大磁流变阻尼器的可调系数和可控阻尼力，减小响应时间，提高控制器件的灵敏性，本文从阻尼间隙的磁场分布和控制电路的响应时间两个方面，对磁流变阻尼器励磁线圈的缠绕方法进行综合研究，获得了基于性能最优的线圈缠绕方法。

    1　磁流变阻尼器性能模型

    可调系数、阻尼力和响应时间是影响磁流变阻尼器特性的重要参数，其相应的动力学模型如下。

    1.1　动力学模型

    图1为双线圈活塞式磁流变阻尼器结构示意图，压力差的作用下经过阻尼间隙由一腔流向另一腔。根据磁流变液流动形式和受力方式的不同，磁流变阻尼器可分为剪切模式、挤压模式、流动模式以及它们相互间的混合模式。双线圈活塞式磁流变阻尼器为剪切和流动的混合模式，根据平行板力学模型，阻尼器的输出阻尼力可以表示为^[7]：

式中：活塞的有效面积；L₀为活塞有效长度；D 为活塞直径；d 为活塞杆直径；h 为阻尼间隙宽度；x4(t) 为活塞运行速度；η 为磁流变液的表观粘度；τ_y为磁流变液屈服强度，它是磁感应强度 B的函数。

    上式中的输出阻尼力有两项组成，前一项是粘滞阻尼力，主要由磁流变液表观粘度和活塞运行速度决定；后一项是库伦阻尼力，受磁感应强度的控制，随磁感应强度的增大而增大。而库伦阻尼力与粘滞阻尼力的比为磁流变阻尼器的可调系数，即：

    则可调系数也是磁感应强度的函数，随磁感应强度的增大而增大。因此提高阻尼间隙的磁感应强度可增大阻尼器的可控阻尼力和可调系数。