旋转剪切式MR阻尼器的性能试验与改进滞回模型

    引 言

    磁流变液(MR)阻尼器具有结构简单、阻尼力连续逆顺可调范围大、响应快、良好的温度稳定性以及广泛适应性等优良特性,目前,已在汽车减振、家庭洗衣机、军用武器系统、土木工程领域(斜拉桥拉索减振、海洋平台结构减振和高层建筑隔振系统)得到应用,表现出良好的半主动控制性能。

    根据MR液体的受力状态和流动特点,可分为剪切式、阀式、剪切阀式和挤压流动式4种。基于4种工作模式,已制备出最大阻尼力达500 kN的足尺阻尼器,或应用于小型精密仪器小型MR阻尼器。目前,国内外学者对MR阻尼器进行了不同功能需求的设计、制作和研究。美国Lord公司于1996年设计并制作了足尺200 kN的MR阻尼器,Yang对该阻尼器进行了详细的性能试验及力学模型分析[1]。欧进萍系统的研究了MR阻尼器的磁流变液性能、MR阻尼器的制作及其力学模型[2]。关新春等设计制作了基于土木工程振动控制的最大阻尼力约为180kN的足尺磁流变液耗能器,试验研究了其阻尼力性能[3];瞿伟廉等制备了500 kN MR阻尼器,并用于抑制天兴洲大桥主梁和桥塔纵向列车制动响应[4];陈政清制备了永磁调节装配式磁流变阻尼器,并应用于抑制洪山大桥和浏阳河大桥拉索风雨振动[5]。丁阳等克服传统剪切阀式MR阻尼器在活塞上缠绕励磁线圈,制作、试验了2个全通道有效的MR阻尼器模型[6];邢海军等设计制作了无补偿腔的MR减振器[7];杨绍普等详细分析MR液材料性能,并介绍国内外广泛的工程应用情况[8]。

    本文针对小型结构减振试验、精密仪器减振等小型MR阻尼器装置,设计、制作小型旋转剪切式MR阻尼器。对此阻尼器进行多种参数的力学性能试验研究,提出增加惯性力项的改进滞回模型,通过分析对比,证明此模型与试验数据符合很好。

    1 旋转剪切式MR阻尼器研制

    1.1 旋转剪切式MR阻尼器设计

    旋转剪切式MR阻尼器结构示意图如图1所示[9],除具有MR阻尼器特点外,还有如下优点:

    (1)旋转剪切式MR阻尼器出力小、可调范围大。本文的MR阻尼器阻尼力为0.2~1.2 N。若改变速度作用点距圆盘的距离,可成倍调整阻尼器出力范围。

    (2)由于旋转剪切式MR阻尼器旋转功能,阻尼器的位移不受限制。

    旋转剪切式MR阻尼器建模采用Bingham粘性模型

式中 τ为总剪切应力;τy(field)为由磁场大小确定剪切应力;γ·为剪切应变率;sgn(·)为符号函数;μ为MR液的粘性系数,由MR液性质及剪切应变率大小决定。