磁流变液阻尼器在振动控制中的应用

蒋 涛,张启焕，刘 浩

（三江学院 ,南京 210012）

0 引言

磁流变液，通常被简称为：MR流体（Magnetorheological Fluid），是一种可以在外加磁场作用下流变特征发生巨大变化[1]的可控流体。作为新型智能材料的一种前景相当广泛。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，它在固液两态之间可以进行毫秒级的快速可逆转变，其粘度保持连续变化，可对其进行实时控制，耗能极小[2]。

提到振动，大家都不会陌生。不论是汽车还是火车，乃至是飞机，都会在运行过程中产生振动，从而降低乘客的舒适度，这种情况飞机尤其突出。这里面的振动是机械振动，也就是物体在平衡位置附近做出的往复运动。在精密机械加工技术领域，如果在通常的环境下进行工作，由于严重的振动干扰，工作就无法正常进行，精密定位变得无法实现。现代建筑物高度不断增长，尤其是越来越多的摩天大楼拔地而起，这使得建筑物受风载荷后振动变得非常严重，另外，有可能发生的地震对建筑物也会有巨大的破坏作用[3]。

1 磁流变液阻尼器

磁流变液阻尼器的主要工作原理是通过改变磁场强度使阻尼器工作间隙中的磁流变液表观粘度产生相应的改变，从而使阻尼力发生改变[4]。励磁线圈中电流大小的改变可以导致磁场强度的变化。

磁流变液阻尼器的工作模式有流动和剪切模式两种，这种划分是根据磁流变液在阻尼器里面的流动情况而来的。

处于流动模式时，两极板被固定住，液体流动的动力是装置里面的压力差。如下：

在流动模式下，总压力差约等于ΔPη与ΔPτ之和。ΔPη是与磁场无关的粘性分量，ΔPτ是磁场引起的屈服应力分量，Q是体积流速，η是磁流变液的零磁场粘度，L是极板长度，ω是极板宽度，τy是施加的磁场强度引起的动屈服应力。参数c的最小值为2，最大值为3。

在剪切模式的情况下，两极板间会产生相对移动，从而引起剪切阻力，该阻力可表示为两部分：

公式中的Fη表示粘性力分量，Fτ表示屈服力分量，是磁场引起的。S表示两极板间相对速度。

2 振动控制

从引言可知，严重的机械振动对各种结构会造成损坏，会使人们产生不舒服的感觉，所以设法减小振动带来的影响非常重要。所谓振动控制，就是指对系统的动态响应或不稳定性加以控制，将系统的振动水平控制在允许的范围内[5]。一般将振动控制方法分为主动控制、被动控制和半主动控制三种[6]。

主动控制是一种有源控制的方法，通过产生可控的次级力与扰动力相抵消，从而达到降低振动干扰的目的。目前，各种智能材料与结构被广泛应用于振动的主动控制中，智能材料与结构通过传感器、控制器与作动器的集成可以最大程度地与被控对象紧密结合，尽量减小对原有结构的影响。

被动控制是指用隔振、吸振、耗能以及方式减小结构的方法来降低振动，是无源控制的一种。其控制目标的达成大多是采用在结构的某特定部位安装某种装置来达成的，经常用于安装的装置是需要可以改变结构的刚度和阻尼的。

另有混合控制方法，叫做半主动控制。由于主动控制的结构相对较为复杂，因此成本较高，尤其对于大型的结构来说，想达到理想的控制效果需要非常大的作动力，因此实现起来非常困难；可是被动控制效果也是有很大局限性的，单独的被动控制装置基本上达不到理想效果，为了解决这些被人诟病的方面，人们尝试用主动控制一些结构的刚度和阻尼等动态参数的方法来实现理想目标，也就是半主动控制。

3 磁流变液阻尼器在振动控制中的应用

半主动控制方法与主动控制相比，具有耗能小，结构简单的优点，与被动控制相比，具有性能可以根据环境而改变，适应性强的优点。而磁流变液阻尼器正好是能够输出可控的阻尼力的器件，因此广泛地应用于结构的半主动控制当中。

奥迪、凯迪拉克等汽车公司已广泛地将磁流变阻尼器应用于汽车悬架系统的振动控制中，通过传感器检测行驶中的汽车运动的参数，实时地将信号传送到控制器，由控制器控制磁流变液阻尼器以减小汽车行驶中的振动问题。

由于磁流变阻尼器具有阻尼力大，结构简单的突出优点，被应用于建筑与桥梁的结构减振控制中，美国Lord公司专门为大型建筑所设计的磁流变液阻尼器的最大输出阻尼力可达到200KN，可调 系数达到10[4]。

4 结论

严重的机械振动对各种结构会造成损坏，会使人们产生不适的感觉，所以振动控制的研究有着非常重要的意义。耗能少，结构简洁，适用范围广，这些是半主动振动控制很显而易见的优势。磁流变液阻尼器被广泛应用于汽车工业、桥梁建筑产业等。

[1]汪建晓,孟光. 磁流变液研究进展[J].航空学报,2002,23(01):6-12.

[2]王鸿云,郑惠强,李泳鲜.磁流变液的研究与应用[J].机械科学与技术,2008,(05).

[3]周锡元,阎维明,杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报,2002,(02).

[4]余昭. 磁流变液阻尼器负载建模与分析及驱动研究[D].重庆大学,2013.

[5]刘旭辉.磁流变液阻尼减震器及其振动控制的研究[D].天津理工大学,2005.

[6]季宏丽.智能结构的自感知主动振动控制以及半主动振动控制的研究[D].南京航空航天大学,2007.