磁流变阻尼器动态特性研究

杜 奎 施 亮 朱若寒

1海军工程大学 科研部，湖北 武汉 430033

2海军工程大学 振动与噪声研究所，湖北 武汉 430033

3通信指挥学院 军事高技术教研室，湖北 武汉 430010

磁流变阻尼器动态特性研究

杜 奎1施 亮2朱若寒3

1海军工程大学 科研部，湖北 武汉 430033

2海军工程大学 振动与噪声研究所，湖北 武汉 430033

3通信指挥学院 军事高技术教研室，湖北 武汉 430010

为更好地研究磁流变阻尼器应用于舰船设备抗冲击的控制方法，需要准确、全面了解其动态力学特性。对磁流变阻尼器的动态特性进行试验研究，详细讨论速度、振幅、频率、电流等各个因素对阻尼力的影响。结果表明，在低速区域阻尼器的阻尼力以不可控的粘滞阻尼力为主，阻尼力随速度的变化明显；在高速区域，阻尼力以磁流变液屈服引起的库仑阻尼力为主，阻尼力随速度的变化不大，而主要决定于控制电流，但是随着电流的增大，出现饱和现象；振幅和频率主要影响磁流变阻尼力的粘滞阻尼力，随频率和振幅的增加，速度的变化范围也明显增大，但是在相同的速度下，频率和振幅对阻尼力的影响不明显。为进一步获得磁流变阻尼器动态特性参数及研究舰船设备抗冲击半主动控制方法提供了重要依据。

磁流变阻尼器；阻尼力；动态特性

1 引言

磁流变阻尼器由于其阻尼力可控、动态范围广、可实现连续变化、响应速度快（可达毫秒级）、装置简单、体积小、能耗小等一系列的优点，成为结构半主动控制的理想元件。

目前对磁流变阻尼器的研究主要集中在汽车、机械装置、桥梁以及土木建筑等领域［1－4］。 若将其应用于舰船动力装置及设备的冲击隔离，对于提高舰船抗冲击水平，提高舰船安全性、生命力及战斗力方面具有重要作用。

为更好地研究磁流变阻尼器应用于舰船设备抗冲击的控制方法，需要准确、全面了解其动态力学特性。本文通过对磁流变阻尼器进行动态力学特性实验，得到了一系列的阻尼器性能曲线。根据实验结果，分析了阻尼力与各影响因素之间的关系，得到了一些有益的结论，为进一步获得磁流变阻尼器动态特性参数［5－6］及研究舰船设备抗冲击半主动控制方法提供了重要依据。

2 磁流变阻尼器类型及结构

磁流变阻尼器的类型主要有剪切式、阀式（即流动模式）、剪切阀式以及挤压式等几种形式，最常见的是剪切阀式的磁流变液阻尼器，它是剪切模式和流动模式的组合，兼有剪切模式和流动模式的优点，具有结构简单、磁路设计比较方便、出力大等优良特性，应用和研究最广。

磁流变阻尼器根据是否具有内、外两个磁流变液缸分为单管式、双管式，此外根据活塞杆的伸出液缸的数量分为单出杆式和双出杆式。单管式磁流变阻尼器结构紧凑，而且安装方向不受限制，所以是应用最普遍的一种结构形式。本文采用的是单管单出杆式磁流变阻尼器，其结构如图1所示。磁流变阻尼器有一个磁流变液容器和一个补偿器机构来补偿由于活塞杆运动带来的体积变化。受液器活塞提供磁流变液和压缩气体（通常是氮气）之间的隔离。氮气囊对活塞杆进入时的体积改变提供补偿。

3 试验设计

本试验对Lord公司生产的RD－1005－3的磁流变阻尼器进行了动力学特性试验，其典型参数如表1所示。研究和分析四个主要因素（频率、振幅、速度和控制电流）对阻尼力的影响以及获得能耗及响应时间特性。图2为在MTS试验机上进行的阻尼器性能测试实验。

表1 磁流变阻尼器典型参数表Tab.1 The typical parameters of MR damper

根据磁流变阻尼器的特征参数，选择了试验中的激励参数为：

1）振幅选取。由表1可以看出，RD－1005－3型磁流变阻尼器的拉伸长度与压缩长度之差为53 mm，所以选择了3种振幅，10 mm、15 mm、20 mm。

2）频率选取。由于MTS试验机的限制（在大振幅下无法实现高频加载），因此主要测试了低频情况下磁流变阻尼器的特征性能，频率选择为0.25 Hz、0.5 Hz、1 Hz。

3）电流选取。根据Lord公司的产品说明书，阻尼器可以0～2 A之间切换，故选择了电流0 A、0.5 A、1.0 A、2.0 A（在试验中，由于磁流变阻尼器工作时间较长，耗散大量振动能量，其温度明显升高，导致其性能发生了一定的变化，最大输出电流变为 1.82 A）。

另外，由于速度数据是从位移微分得到，根据采样定律和实际需要，采样频率分别选择了100 Hz（0.25 Hz、0.5 Hz时）和 200 Hz（1 Hz时）。

4 磁流变阻尼器动态特性分析

4.1 阻尼力与位移关系

通过采集器可以直接获得阻尼力和位移在采样点的数据。图3为作动端振幅15 mm，频率1 Hz输入，控制器输入电流为0～1.8 A时的阻尼力－位移曲线。试验过程中稳定电流大小不变。

从图3可以看出，阻尼力—位移曲线非常饱满，这说明磁流变阻尼器有着极强的减振耗能作用。当振幅和频率一定时，阻尼力的大小随着电流的增大而增大，对于同一控制电流，阻尼力的大小基本保持不变，当控制电流为0时，阻尼器的阻尼力最小。

4.2 阻尼力与速度关系

图4为15 mm振幅，1 Hz频率输入时阻尼力—速度变化关系曲线。速度通过采用相邻两个采样点的位移差值与采样时间的比值计算得到。

通过阻尼力—速度的曲线可知：

1）阻尼力—速度曲线表现为非线性滞回特性，阻尼力随速度的增大而增大，并趋于饱和。

2）在低速区域，粘滞阻尼力所占的比重较大，阻尼力随速度变化明显，但在高速区，可控的库仑阻尼力占主要部分，磁流变阻尼器的阻尼力也表现为基本不随速度变化，而且随控制电流越大，磁流变阻尼器的阻尼力显著增大。但是当电流由1.0 A增至1.8 A，阻尼力的增加幅度变小，最大阻尼力仅增加约130 N，这说明磁流变液已经渐趋饱和。

4.3 阻尼力与频率关系

图5为电流1 A时，不同频率下的阻尼力—速度曲线。

由图5可知，在相同的振幅和控制电流条件下，频率越高，滞回现象越明显。随着频率增加，速度变化范围明显增大，但在相同速度下，频率对阻尼力的影响不明显。

4.4 阻尼力与电流关系

图6为1 Hz频率15 mm振幅，不同电流下的最大阻尼力—电流关系曲线。

可以看出，磁流变阻尼器最大阻尼力随控制电流增大而增大，但变化趋势趋于缓慢，并在达到1.8 A时趋于饱和，这与磁流变阻尼器的内部磁场饱和一致。

5 结论

根据对磁流变阻尼器动态特性试验研究，分析了振幅、速度、频率、控制电流等因素对磁流变阻尼器的阻尼力影响，并可以得到以下结论：

1）在低速区域，阻尼器的阻尼力以不可控的粘滞阻尼力为主，阻尼力随速度的变化明显；

2）在高速区域，阻尼力以磁流变液屈服引起的库仑阻尼力为主，其特征是阻尼力随速度的变化不大，而主要决定于控制电流，但是随着电流的增大，出现饱和现象；

3）振幅和频率主要影响磁流变阻尼力的粘滞阻尼力，随频率和振幅的增加，速度的变化范围也明显增大，但是在相同的速度下，频率和振幅对阻尼力的影响不明显。

［1］周云，谭平.磁流变阻尼控制理论与技术［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］RIBAKOV Y， GLUCK J.Selective controlled base isolation system with magnetorheological dampers ［J］.Earthquake Engng Struct， Dyn，2002，31：1301-1324.

［3］周云，徐龙河，李忠献.半主动磁流变阻尼器控制结构的地震反应分析 ［J］.地震工程与工程振动，2000，20（2）：23－27.

［4］楼文鹃，陈勇，朱瑶宏.采用磁流变阻尼器的斜拉索半主动控制［J］.同济大学学报（自然科学版），2006，10（34）：1309-1314.

［5］施亮，何琳.磁流变阻尼器参数辨识方法研究［J］.振动与冲击，2009，28（1）：131－133.

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An Experimental Study of Dynamic Characteristics of Magnetorheological Damper

Du Kui1 Shi Liang2 Zhu Ruo－Han3
1 Office of Research and Development of Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China
2 Vibration and Noise Institute，Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China
3 Military High－tech Faculty of Communication and Command Academy， Wuhan 430010， China

Better control over the shock resistance of shipboard units underlines the importance of application of the magnetorheological （MR） damper， a more precise and comprehensive understanding of the implication of the dynamic characteristics is substantially important.This paper aims to examine the dynamic characteristics of MR damper through an experimental study.In the study， a variety of factors affecting the damping force of MR damper， including velocity， amplitude， frequency and controlling current， were discussed.The experimental results demonstrate that the uncontrollable viscous damping force of MR damper constitutes the major component of the total damping forces and varies distinctly with velocities at low velocity zone.At high velocity zone， however Coulomb damping force is the major contribution by magnetorheological fluid，where it vary indistinctly with velocities depending on the control current，but saturation will occur with the increment of current.The amplitude and frequency mainly affect viscous damping force，and the variation range will increase distinctly with the increment of frequency and amplitude， but they do not affect the damping force distinctly when at the same velocity.

magnetorheological damper；damping force； dynamic characteristics

TB535.1

A

1673－3185（2011）01－52－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.010

2010-10-11

国家部委基金资助项目

杜 奎（1971－），男，硕士，工程师。研究方向：噪声与振动控制研究、科研管理。E-mail：dk3k096＠126.com