双磁场控制的磁流变减震结构振动台试验研究

周亚东 张恒 张彦 刘双菊 葛爱迪

摘要：传统磁流变减隔振器通常由线圈持续供电，不仅增大耗能，也会减少器件的使用寿命。基于磁流变凝胶（MRG）的剪切工作原理，运用剪切型结构设计一种新型磁流变凝胶减震装置，采用永磁体和线圈共同控制磁场大小和方向，通过改变磁流变凝胶的磁化程度实现阻尼力大小的控制。将该装置安装在一2层钢框架结构模型的底层，采用恒定电流控制法开展磁流变减震结构振动台试验研究，分析不同电流下减震结构系统对不同地震波的振动控制效果。试验结果表明：该磁流变凝胶减震装置能够显著降低结构的动力响应，对于不同的地震波其减震效果有所差异，随着峰值加速度的增加其减震效果有所下降。

关键词：磁流变凝胶; 双磁场; 减震装置; 永磁体; 地震波

中图分类号： TB381      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2024）03-0529-07

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230201002

Shaking table test on a magnetorheological damping

structure controlled by dual magnetic fields

ZHOU Yadong， ZHANG Heng， ZHANG Yan， LIU Shuangju， GE Aidi

（Tianjin Key Laboratory of Building Structure Protection and Reinforcement， Tianjin Chengjian University， Tianjin 300384， China）

Abstract：

Conventional magnetorheological dampers are usually powered continuously by coils， which not only increase energy consumption but also reduce the service life of a device. Based on the shearing principle of magnetorheological gel （MRG）， a novel shearing magnetorheological gel damping device was designed in this paper. The permanent magnets and coils were used to jointly control the magnitude and direction of the device's magnetic field， and the damping force magnitude was controlled by changing the magnetization level of MRG. The device was installed at the bottom floor of a two-story steel frame-structure model， and the shaking table test of the magnetorheological damping structure was carried out using the constant current control method. The control effects of the damping system on different seismic waves under different currents were analyzed. Results show that the MRG damping device can significantly reduce the dynamic response of the structure; the damping effect varies for different seismic waves， and the damping effect decreases with increasing peak acceleration.

Keywords：

magnetorheological gel; dual magnetic fields; damping device; permanent magnet; seismic wave

0 引言

地震災害对人类生命及财产安全构成重大威胁，同时也对建筑结构抵御地震的能力提出了更高要求。磁流变阻尼器具有结构简单、阻尼力可控及反应迅速等优点，在半主动减震控制领域备受国内外学者关注［1-6］。经过多年的发展，基于磁流变材料的智能阻尼器研究取得了较大的进展。Choi等［7］开发了一种自供电的磁流变减震装置，该装置附着在一个包含定子、永磁体和弹簧的能量收集装置上，作为能量收集动态振动吸收器进行稳定工作。Yazid等［8］对一种新型混合模态磁流变减震装置进行材料分析，得到该减震装置在有效区域的最佳磁场强度设计。Li等［9］进一步提高了基础隔振器的自适应范围，开发了一种侧向刚度增加1 630%、高度可调的基础隔振器。Ferdaus等［10］考虑各种磁流变减震器的设计及配置，针对活塞外形、可变的活塞直径、磁流变液间隙，以及三种不同数量的线圈级，提出了单管线性磁流变减震装置的优化设计方案。现有的磁流变减震器大多仅依靠电磁线圈为设备提供磁场，这样会带来较高的热量和能量消耗问题。

磁流变阻尼器减震控制技术是一个复杂的系统。一套完整的磁流变阻尼器减震系统开发不仅包括控制策略选择、控制软件和硬件开发工作，还包括磁流变液和磁流变阻尼器的优化配置，以及控制信号的采集、降噪等工作。对如此复杂的控制系统进行控制效果评判，试验验证尤其是振动台试验是最有效的方法。Yi等［11］对底层和第2层安装磁流变阻尼器减震系统的6层框架模型进行了振动台试验，研究多个磁流变阻尼器共同工作的结构振动控制效果。赵玉亮［12］设计了考虑Stribeck效应的磁流变阻尼器力学模型，并对安装该减震系统的3层框架模型进行模拟地震振动台试验，提出了一种基于位移反馈和地面加速度反馈的PSC策略，试验结果表明该磁流变阻尼器减震系统能够显著降低结构的动力响应。

针对上述问题，参考闫维明等［13］设计的阀式逆变磁流变阻尼器，本文设计了一种利用电磁线圈和永磁体共同控制磁场的磁流变减震装置。永磁体的加入为减震装置提供了一个偏置磁场，当电流为0时可以减少能源的消耗［14-15］，同时，可以施加正向或负向电流来增加或减少磁场，并调整器件的性能。采用磁流变凝胶（Magnetorheological Gel，简称MRG）作为磁流变材料，并将该装置安装在一2层钢框架模型中进行振动台试验，分析该磁流变减震系统在不同地震波下的控制效果，以期为新型磁流变凝胶减震装置提供参考。

1 试验装置

1.1 磁流变凝胶减震装置

本试验所使用的磁流变减震装置是由课题组自主设计并加工完成的，如图1所示。其设计理念来源

于磁流变材料的剪切工作原理［16］，即运动方向与磁场方向垂直，并结合磁流变液阻尼器的结构设计而成。图1（a）为磁流变减震装置剪切工作模式示意图，图中F为力，B为磁通量。图1（b）为该装置的结构示意图，主要由剪切部分、磁场部分和外部框架构成：剪切部分包括剪切板、剪切槽、滑块和螺柱，其中剪切板、剪切槽使用不导磁的H59黄铜;磁场部分包括线圈、永磁体和铁芯，其中，线圈产生的磁场方向和永磁体相反，互相抵消以达到刚度软化的效果，两块永磁体所产生的磁场强度约650 mT;外部框架使用不导磁的合金材料。将剪切型结构运用到减震装置上，并结合电磁线圈及永磁体共同控制磁场强度，在磁场关闭状态下实现较高的阻尼力，在磁场开启状态下实现较低的阻尼力，也可施加反向电流以得到更高的阻尼力，从而扩大减震装置的动态作用范圍。图1（c）为结构施加正向电流时永磁体磁通量方向示意图。

1.2 磁场分布测试

由于磁流变凝胶在剪切槽内沿长度方向均布，位于剪切槽中部区域的磁感应强度最大，位置越靠近端部，磁感应强度越低。使用高斯计对剪切槽进行磁场强度测试，测点分布如图2（a）所示。为有效降低测量误差，保证试验数据的准确性，重复进行了3次测试试验，取相应的平均值作为该点的磁感应强度，测量结果见图2（b）。未接入电流时磁场完全由永磁体提供，主要分布在永磁体附近，随着电流的接入，磁场逐渐相互抵消，且范围也有所扩大。当接入-0.5 A电流时，剪切槽中心处的磁场强度约为800 mT，足够使磁流变材料完全磁化，满足实验所需条件。

1.3 磁路仿真分析

采用ANSYS Electronics软件对磁流变减震装置进行仿真分析。在Maxwell 3D中建立减震装置三维模型，如图3所示。选择Electromagnetics Suite电磁组件，并在求解类型中选择Magnetostatics进行静态磁场分析，部分磁通密度分布如图4所示。当线圈励磁电流I=0 A时，即在未加载电流的情况下，减震装置的磁感应强度仅由永磁体提供，此时集中穿过磁流变材料工作区域的磁感线达94%，漏磁较小。通常在0.8 T左右磁流变材料已达到磁饱和，在剪切槽中部磁场强度可达0.72 T，满足初始设计对磁场强度的要求。

当I=1.5 A时，由于线圈通电而产生反向磁场，使得剪切槽内磁流变凝胶分布处的混合磁场强度减弱为0.33 T左右，说明该磁路设计可行，能够有效调节磁场大小。

2 磁流变材料制备与试验方案

2.1 MRG制备

采用沉降稳定性更好的磁流变凝胶作为减震装置的磁流变材料。磁流变凝胶制备原材料有：蓖麻油分析纯，二苯基甲烷-4，4′-二异氰酸酯，它们是组成交联聚合物凝胶的主要原料。磁性颗粒选取球形羰基铁粉，粒径3～5 μm。因交联聚合物凝胶与羰基铁粉反应较慢，所以还需要催化剂，本文所选催化剂为异辛酸亚锡分析纯。为了增加MRG的性能，还需要扩链剂（1，4-丁二醇分析纯）和增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯分析纯）。制备了羰基铁粉含量60%的样品，具体制备过程参照文献［17］。

2.2 试验方案

为了验证装置在模拟地震激励下的减震效果，在装备了减震装置的钢架模拟地震振动台上进行试验。将钢架与减震装置通过一个L形连接件连接，连接件的一面与1层楼板连接，另一面与减震装置的连接杆相连，2层框架与减震装置通过螺栓固定在振动台上。试验钢架参数为：整体框架采用焊接，楼板与框架之间采用螺栓连接；竖向与水平构件采用5×20 mm的Q235钢板，楼板为5 mm厚的钢板，框架整体尺寸为长600 mm、宽400 mm、高600 mm。模拟地震试验所用地震波为真实记录的Kobe波。通过GM_Tools软件工具对地震波进行调整，使其峰值加速度分别为200、300和400 gal，以满足试验要求。

试验主要在Servotest公司生产的Mini Mast单轴振动台上进行，台面尺寸1 m×1 m（边长），可加载频率为0～100 Hz，可进行常规地震模拟研究和振动测试。试验共用到4个位移传感器、3个IEPE加速度传感器和1个微型拉压力传感器；两个兆信1005D数显直流稳压电源分别为两个电磁线圈供电。振动台试验如图5所示。

试验振动台由Pulsar软件系统控制，不仅可以加载正弦波激励、三角波激励和方波激励，其中的迭代控制系统可以很好地模拟多种地震动的波形。通过扫频白噪声对地震波进行模拟，以达到更接近原始波的效果。试验装置内的剪切材料是羰基铁粉质量分数达60%的MRG;试验时采用恒定电流法控制，电流值分别为-0.6、-0.3、0、0.6和1.2 A。依次施加不同峰值加速度的地震波，每组重复3次以得到更准确的结果。

3 试验结果分析

为了讨论所提出的磁流变减震系统的振动控制效果，将不同地震激励下的结构动力时程响应进行对比。限于篇幅，本文仅给出1层加速度和2层位移时程曲线的对比，而恒定电流控制效果仅用-0.6 A、0.6 A和未加载装置对比，分析装置在不同电流下对不同地震波的控制效果，以及不同地震波峰值加速度的控制效果。本文所提到的控制效果皆是指峰值的控制率，即未加载减震装置的峰值为单位1，其中UC、I=-0.6 A、I=0.6 A分别代表未控结构、-0.6 A的恒定电流和0.6 A的恒定电流控制。

3.1 结构动力特性

使用白噪声对试验模型进行扫频分析，分析当I=0 A时装置体系的加速度时程，对其进行快速傅里叶变换，计算得出自振频率和自振周期，结果如表1所列。观察发现在位移和加速度两种控制方式下，钢架-减震装置的自振周期分别是未控结构的1.464倍和1.347倍。调整结构体系类型能够有效降低自振频率，延长自振周期。

3.2 Kobe波激励下结构加速度时程分析

图6绘制了在200、300 gal的Kobe波激励下结构1层加速度控制效果对比。根据试验测得的数据，当加速度峰值为200 gal时，结构自身最大加速度为-3.429 9 mm/s2；恒定电流为-0.6 A时，装置第1层最大加速度为-2.160 7 mm/s2，装置对加速度的控制效率为62.99%;当电流为0.6 A时，结构第1层最大加速度为-2.948 8 mm/s2，控制效果为85.97%。当加速度峰值为300 gal时，加载电流-0.6 A和0.6 A对结构加速度峰值的控制率分别为65.36%和97.85%。

3.3 Kobe波激励下结构位移时程分析

图7绘制了在200、300 gal的Kobe波激励下结构第2层位移时程曲线。由图可知，加速度峰值为200 gal时，无减震装置结构的最大位移为5.118 7 mm;安装减震装置后，当恒定电流为-0.6 A时，结构最大位移为2.547 9 mm，控制率为49.77%；电流为0.6 A时，结构的最大位移为3.243 8 mm，控制率为63.37%。同理，加速度峰值为300 gal时，当恒定电流为-0.6 A和0.6 A时，减震装置对结构最大位移的控制率分别为50.27%和83.41%;将加速度峰值调整到最大时，其对位移的控制效果分别为55.34%和84.35%。由图6、7可知，随着加速度峰值的增加，磁流变减震装置的控制效果逐渐减小，且减震装置对峰值加速度的控制效果弱于对位移的控制效果。

3.4 结构峰值控制效果分析

为了分析本文设计开发的磁流变减震系统的振动控制效果，首先对结构在不同控制方式下的峰值响应进行分析，并将归一化后的结构位移和加速度峰值响应列于表2。表中所列的是200 gal的Kobe波激励下结构的控制效果。从表中可以看出，装置对结构的位移控制率为53.0%～9.63%，对加速度的控制效果为26.11%～7.75%;磁流变材料磁化程度越高，装置对结构的控制效果越好。对试验结果的分析表明本文所提装置的减震效果较好。

3.5 减震装置的力-位移曲线分析

为了分析不同电流下装置对结构的控制效果，对其在不同电流下的实际出力进行分析，以下主要对Kobe波进行分析。图8给出了在加速度峰值200 gal的Kobe波下，恒定电流分别为-0.6 A和0.6 A时减震装置的力-位移曲线。此处的位移是装置剪切处的位移，力则是力传感器的实测数据。

如图8所示，减震装置在恒定电流控制下的力-位移图形状大致相同。随着地震波峰值加速度的增加，减震装置的出力范围和位移增加，力-位移曲线面积增大，相应的耗能能力增大，对位移的控制量也在增大。同样可以看出，-0.6 A时减震装置的出力范围比0.6 A时大，控制效果更好。这是因为随着电流的变化，剪切槽内磁流变凝胶的磁化程度也在变化，一般来说磁化程度越大，磁流变效应越大，即剪切力越大，减震效果越好。

4 结论

本文设计了一种基于双磁场控制的磁流变减震装置，并将其安装在一2层钢框架结构模型中，通过振动台试验分析，得出以下结论：

（1） 该磁流变减震装置对于地震波激励有很好的控制效果。随着磁流變材料磁化程度的增加，控制效果提升，随着地震波峰值加速度的增加，控制效果也在增加。对于不同的地震波，装置的控制效果有所不同。

（2） 随着电流的增加，磁流变减震装置的出力范围减小。加载负向电流时，MRG的磁化程度最大，减震效果最好。装置的出力范围越大，耗能能力越强，对结构的控制效果越好。

（3） 本文采用恒定电流控制法，所以无法达到最佳的控制效果，下一步需在控制算法等方面继续改进，以达到更好的地震控制作用。

参考文献（References）

［1］ SUN C，HOU X L.Passive impact/vibration control and isolation performance optimization for space noncooperative target capture［J］.International Journal of Advanced Robotic Systems，2020，17（1）：12-33.

［2］ 王涛.基于改进变论域模糊PID算法的结构半主动控制方法研究［D］.重庆：重庆大学，2020.

WANG Tao.Research on semi-active control method of structure based on improved variable universe fuzzy PID algorithm［D］.Chongqing：Chongqing University，2020.

［3］ 薛兵，杜永昌，刘源，等.基于机理的磁流变减震器滞回特性魔术公式模型［J］.振动工程学报，2017，30（5）：774-780.

XUE Bing，DU Yongchang，LIU Yuan，et al.A mechanism-based magic formula model for hysteretic characteristics of magneto rheological damper［J］.Journal of Vibration Engineering，2017，30（5）：774-780.

［4］ DUTTA S，CHAKRABORTY G.Performance analysis of nonlinear vibration isolator with magneto-rheological damper［J］.Journal of Sound Vibration，2014，333（20）：5097-5114.

［5］ 卢晶晶，陈曦，周亚东，等.基于刚度软化试验建立磁流变弹性体的Bouc-Wen模型［J］.机械工程材料，2021，45（1）：100-104，108.

LU Jingjing，CHEN Xi，ZHOU Yadong，et al.Establishment of Bouc-Wen model of magnetorheological elastomers with stiffness softening tests［J］.Materials for Mechanical Engineering，2021，45（1）：100-104，108.

［6］ UZ M E，HADI M N S.Optimal design of semi active control for adjacent buildings connected by MR damper based on integrated fuzzy logic and multi-objective genetic algorithm［J］.Engineering Structures，2014，69：135-148.

［7］ CHOI Y T，WERELEY N M.Self-powered magnetorheological dampers［J］.Journal of Vibration and Acoustics，2009，131（4）：044501.

［8］ YAZID I M，MAZLAN S A，KIKUCHI T，et al.Magnetic circuit optimization in designing magnetorheological damper［J］.Smart Structures and Systems，2014，14（5）：869-881.

［9］ LI Y C，LI J C，LI W H，et al.Development and characterization of a magnetorheological elastomer based adaptive seismic isolator［J］.Smart Materials and Structures，2013，22（3）：035005.

［10］ FERDAUS M M，RASHID M M，HASAN M H，et al.Optimal design of magneto-rheological damper comparing different configurations by finite element analysis［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2014，28（9）：3667-3677.

［11］ YI F，DYKE S J，CAICEDO J M，et al.Experimental verification of multiinput seismic control strategies for smart dampers［J］.Journal of Engineering Mechanics，2001，127（11）：1152-1164.

［12］ 趙玉亮.磁流变阻尼器减震结构振动台试验研究［D］.南京：东南大学，2019.

ZHAO Yuliang.Shaking table test on the earthquake mitigated structure with magnetorheological dampers［D］.Nanjing：Southeast University，2019.

［13］ 闫维明，葛惠娟，董彬，等.逆变型磁流变阻尼器的实验和分析［J］.地震工程与工程振动，2007，27（3）：171-176.

YAN Weiming，GE Huijuan，DONG Bin，et al.Test of reverse-effect MR damper［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2007，27（3）：171-176.

［14］ GU X Y，LI J C，LI Y C.Experimental realisation of the real-time controlled smart magnetorheological elastomer seismic isolation system with shake table［J］.Structural Control and Health Monitoring，2020，27（1）：e2476.

［15］ LI S Q，LIANG Y J，LI Y C，et al.Investigation of dynamic properties of isotropic and anisotropic magnetorheological elastomers with a hybrid magnet shear test rig［J］.Smart Materials and Structures，2020，29（11）：114001.

［16］ 梁雅君，周亚东，李见春，等.磁流变弹性体刚度软化剪切性能试验研究［J］.磁性材料及器件，2021，52（1）：32-37.

LIANG Yajun，ZHOU Yadong，LI Jianchun，et al.Experimental study on shear properties under stiffness softening of magnetorheological elastomer［J］.Journal of Magnetic Materials and Devices，2021，52（1）：32-37.

［17］ 罗洪平.聚氨酯磁流变胶的制备、表征及力学、电学机理研究［D］.重庆：重庆大学，2018.

LUO Hongping.Preparation，characterization，mechanical and electrical mechanism of magnetorheological gel based on polyurethane［D］.Chongqing：Chongqing University，2018.

（本文编辑：赵乘程）

基金项目：国家自然科学基金項目（51608351）;天津市自然科学基金项目（18JCZDJC10010，18JCYBJC22600）

第一作者简介：周亚东（1985-），男，博士，副教授，主要从事智能材料与智能结构方面的研究。E-mail：zyd476300@126.com。

通信作者：刘双菊（1979-），女，博士，讲师，主要从事地震工程方面的研究。E-mail：40838519@qq.com。

周亚东，张恒，张彦，等.双磁场控制的磁流变减震结构振动台试验研究［J］.地震工程学报，2024，46（3）：529-535.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230201002

ZHOU Yadong，ZHANG Heng，ZHANG Yan，et al.Shaking table test on a magnetorheological damping structure controlled by dual magnetic fields［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：529-535.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230201002