多层滑动极板式电流变阻尼器的动力学建模

　　自电流变效应发现以来,对电流变液元器件,特别是电流变阻尼器的研究一直在进行。人们设计了各种各样的电流变阻尼器,应用于不同的工程领域,当前开展电流变阻尼器研究较多的工程领域主要是机械或结构的振动控制与减振、隔振等。如各种发动机的支架隔振器,汽车、机车主动和半主动悬架中的可控阻尼器,抑制转子振动的可控挤压油膜阻尼器、建筑物减震阻尼器等。

　　人们在工程中采用电流变阻尼器的原因,在于电流变阻尼器的阻尼力可以通过调节外加电场来进行控制,以获得所需的阻尼水平,从而对结构振动进行主动阻尼控制,为此,需要建立阻尼器的输出阻尼力与外加电场强度的关系。电流变阻尼器的阻尼性能直接与阻尼器结构形式及所使用的电流变液的力学性能有关。而电流变液的力学性能又与外加电场强度、振动频率、振幅、温度等因素有关,呈现出很强的非线性。因此在没有彻底搞清电流变液的机理之前,要想建立电流变阻尼器的准确数学模型是不可能的。通常都采用试验数据与理论简化结合的方法,根据经验公式进行参数识别。Steven[1,2]等人通过试验认为电流变阻尼器的阻尼由粘性阻尼和库仑阻尼组成,并将电流变液视为Bing-ham塑性流体,提出了一种经验建模方法。该模型是一种线性模型,不能反应电流变阻尼器的非线性特性。美国Mary-land大学的Wereley和Kamath等人考虑了电流变液相变过程,提出另一种经验的非线性建模方法[3,4],该模型参数个数太多,应用起来比较困难。

　　为了便于进行振动控制方程的建模,一般需要针对具体的阻尼器结构和工作形式,建立一个数学表达简单、又能反映电流变阻尼器非线性阻尼特性的力学模型。本文针对所研制的多层滑动极板电流变阻尼器,提出了一种考虑电流变阻尼器的粘性阻尼和库仑阻尼效应的非线性力学模型,该模型具有结构简单,模型参数少的特点,并利用阻尼器动态实验数据,用参数优化的方法对阻尼器模型进行了参数识别,仿真结果表明这种力学模型可以较精确地模拟这类阻尼器的动态特性。

　　1　电流变阻尼器研制及性能试验

　　电流变阻尼器由于使用电流变液作为阻尼介质,因此对其结构设计有独特的要求。由于电流变液的相变要求较大的电场强度,因而不论采用何种形式的阻尼器,都要有一对或几对极板来形成高电场。根据工作流体在电流变阻尼器中的流动形态,电流变阻尼器的基本工作原理大致可归结为三种类型:剪切型,它利用电流变液阻尼介质在固体元件表面之间的粘性摩擦剪切效应,通过电流变液粘度的可控来实现摩擦阻尼的可控;流动型,它是利用电流变液阻尼介质流过小孔时的流体粘性阻尼效应,结构与作动筒式油液阻尼器相似,当孔径一定时,阻尼的大小与液体的粘度和通过小孔的速度有关;挤压型,它是通过两极板相对上下移动,挤压中间的电流变体而产生阻尼力。