磁流变耗能器的阻尼力模型及其参数确定

　　0 引 言

　　在磁场作用下,磁流变液具有在毫秒级的瞬间由牛顿流体转变为Bingham塑性固体的特性。利用这种特性制作的耗能结构简单、阻尼力连续顺逆可调,是实现结构振动控制的新一代高性能耗能减振驱动装置。美国Lord公司已经研制出能耗22W、最大阻尼力可达20t的磁流变耗能器[1,2]。

　　磁流变耗能器的阻尼力模型是其在结构振动控制应用中分析和设计的一个重要问题。但由于流变后的磁流变液的动态本构关系比较复杂,耗能器的动态阻尼力呈现强非线性关系,这给准确建立耗能器阻尼力模型带来了一定困难。一些学者充分考虑流体屈服过程不同阶段的特点,根据耗能器的结构特点建立了几种耗能器的阻尼力模型,Ehrgott和Masri[3]应用Shebysgev多项式建立了无参数的耗能器阻尼力模型。Makris[4]等应用粘弹模型分别表述屈服前和屈服后的性能,并应用神经网络将前后两个阶段组合起来;Spencer[5]等则建立了磁流变耗能器阻尼力的Bouc_Wen模型。本文将分析常用模型的特点,根据我们设计制作的耗能器阻尼特性实验结果,参照Spencer等人的工作进一步研究耗能器阻尼力的计算模型和模型参数的变化规律。

　　1 磁流变耗能器的阻尼力计算理论

　　1.1磁流变液的本构关系

　　大量实验表明,流变后的磁流体在外力作用下的屈服过程如图1所示,由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段组成。其中,屈服后区具有式(1)所示关系的Bingham体的特性,而其它两部分则具有粘弹特性。由于磁流体工作状态基本都处于屈服后区,因此为了简化磁流变耗能器阻尼力的计算,磁流变液的本构关系均近似取为式(1)所示的Bingham体。

式中为剪应力;u为流体流速y(H)为磁流变液的屈服强度,它与磁场的强度H有关;η为流体的动力粘度。

　　1.2磁流变耗能器的阻尼力简化计算

　　磁流变耗能器的类型主要有剪切式、阀式、剪切阀式以及挤压式等几种形式,其中阀式和剪切阀式由于可调范围宽和出力大而应用和研究最广,两者阻尼力的计算公式基本相同,通常作为一种形式来讨论。本文研究如图2所示的剪切阀式耗能器。

　　Philips[6]和Makris[4]等的推导表明,活塞挤压理想Bingham体流过活塞与油缸壁间隙时,活塞两端的压差可近似按下式计算:

式中L为活塞长度;D为缸体内径;h为活塞与缸体间的间隙;Q为流过缸体间隙的流体的体积流速。设Ap为活塞的有效面积,u(t)为活塞与缸体间的相对流速,则磁流变耗能器的阻尼力F(t)可表示为:

式(3)就是可控流体耗能器常用的阻尼力简化计算模型。其中第一项是与速度相关的粘滞阻尼力,第二项是随着磁场而改变的库仑阻尼力,第二项与第一项的比是耗能器的可调倍数。