磁流变阻尼器在船舶减振降噪中的应用

田雷

摘 要：磁流变阻尼器通过提供运动阻力、减少运动耗能的装置，在航天航空、土木工程、汽车制造等行业广泛应用。将磁流变阻尼器应用在传播减震降噪系统中，能提高船舶减震水平、延长船的使用周期、确保船员安全。该文主要阐述了磁流变液、磁流变阻尼器的原理、在船舶中减振降噪的具体应用并探讨了磁流变阻器未来发展方向。

关键词：磁流变阻尼器 船舶 减振降噪

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0106-02

船舶在航行过程中，受到水的阻力，所以船身会出现振动的现象，振动不仅会影响船体本身的构造，影响船上的设备和仪器的正常工作，而且船体发生的振动会影响船员工作效率，长期还会影响船员的身体健康，所以船舶减振降噪关系到航行安全。当前船舶上大多使用橡胶垫、弹簧等弹性减振元件，这些减振元件在运动过程中抑制船舶结构振动，从而达到减振作用。这种减振设备经济实惠、结构简单、安全可靠，但缺乏一定的灵活性。近年来，随着科学技术的进步，大量新技术和新材料引用在造船业，这为船舶减振系统改进提供了技术支持。因此研究工作效率更高、效果更好的减振降噪设备，对提高船舶振动控制水平的提高具有重要意义。

1 磁流变液

磁流变液由低磁滞性、高磁导性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成，是一种可控流体。这种物质在零磁场的环境下，会出现低粘度的牛顿流体特性；在强磁场的环境下会出现高粘度、低流动性的特性。所以它能够实现固态和固态的可逆转化，通过改变磁场条件，实现快速转换。因此，磁流变液具有良好的力学性，通过用电就能实现计算机和网络的控制，因此被认为是21世纪最有发展前景的智能材料。国外对磁流变液的研究比较早，减少旋螺桨不平衡气流引起的振动，英国一家公司将磁流变体用在飞行器的隔离系统中，从而减少振动对飞机雷达和仪表的影响。1995年第五届国际电磁流变会上，美国的Lard公司在现场展示了自制的磁流变液，并将其应用在军工领域，将磁流变液研制的吸振装置安装在M551坦克上，减少道路不平衡影响炮击的准确性。经过二十多年的发展，磁变流材料已经成为具有多种形态的物质，其中包括磁流变液、磁流变弹性体、磁流变泡沫等物质。

2 磁流变阻尼器

磁流变阻尼器是通过磁流变液加工制造的一种阻尼减震装置，将磁流变阻尼器安装在减震系统结构上，它能根据结构振动情况，按照控制规则自动调整阻尼器的阻尼，从而减少振动带给物体结构的振动作用。由磁流变液加工制作而成的阻尼器有3种工作模式：剪切模式、压力驱动模式、积压流动模式。剪切模式是利用两磁极一极运动，让磁流变液产生剪切流动形成的阻尼；压力驱动模式是通过压力驱动磁流变流流动产生的阻尼；挤压流动模式，是通过两磁极相对运动产生的阻尼。这3种工作模式应用最多的是压力驱动模式，这种模式下的阻尼器设计比较简单，而且产生的阻尼大，因此阻尼器制造技术相对来说比较成熟。磁流变阻尼器的结构与普通的油缸流体阻尼器的结构差不多，当缸体和活塞进行相对运动时，阻尼器的磁流变液受到压力，通过缸体与活塞的缝隙从活塞的一端流向另外一端，在经过缝隙的过程中，磁流变液会随着磁场变化的强度发生剪切强度的变化。利用这个特性，可以调节缠绕在活塞上的励磁线圈电流大小，从而改变间隙内的磁场强度变化，调节磁流液体的阻力。磁流变液阻尼器能耗低、响应速度快、价格便宜、可实现连续顺逆调节，便于与微机控制系统进行结合，所以广泛应用在建筑、机械、汽车、航空等领域。

3 磁流变阻尼器在船舶减振降噪的应用

传统的被动振动控制技术已经无法满足当下海洋航行的环境，而主动控制技术投资规模大，所以很难大面积进行推广。但是目前关于磁流变阻器在船舶中的实际工程中，需要结合船舶的特点，研制适合船舶低频振动的智能减振装置。船用磁流变智能阻尼器由磁流变弹性体、壳体、电磁线圈、铁芯构成。磁流变弹性体将铁芯与壳体进行连接，线圈固定在铁芯上，壳体、铁芯以及磁流变弹性体三者都为圆柱体，并共圆心，铁芯有四翼，对应四组电磁线圈，每组线圈缠绕在铁芯的翼上。磁流变智能电阻器电磁线圈产生的磁场经过铁芯的四个翼、壳体以及磁流变弹性体形成回路，改变电磁线圈电流的大小就可以调节磁流变弹性体的剪切力，从而达到电磁线圈电流强度控制阻尼器出力大小的作用。与现状的磁流变减振设备相比，船用磁流变智能电阻器具有以下几个方面的优势：第一，它能根据结构的振动频率自动调节电磁线圈中的电流大小，从而改变磁流变弹性体的刚度和阻力，实现半主动控制。第二，磁线圈缠绕的方式比较独特，是沿着圆柱体的母线进行缠绕，这样能够减少磁场传递时能量损耗。第三，磁流变弹性体和铁芯用扇形进行连接，阻尼器的出力大小与接触面积呈线性关系，而扇形的连接方式增加了两者的接触面积、增加了阻尼器的出力。船舶结构在作用力下，振动响应比较复杂，存在很多共振高峰，而通过改变结构质量或者刚度避开共振峰是很难的，且改变结构的尺寸和厚度会影响船舶自身的强度和稳定性，通过磁流变智能阻尼器可以实现减振降噪功能。当船舶结构发生弯曲振动时，结构振动的能量迅速传递给阻尼材料，从而引起阻尼内部的振动摩擦运动，由于阻尼结构自身的内部摩擦非常大，所以船舶结构相当一部分的能量就被消耗掉了，从而达到降低结构弯曲振动程度、达到降低结构振动幅度和噪声的目的。

4 磁流变阻尼器未来发展趋势

由于磁流变阻尼器刚度好、响应快、阻尼可调、可逆性好，又具有弹性体和磁流变材料的特点，因此广泛应用在减振工程中。由于主动控制的成本比较高，大部分的研究都是针对半自动化控制方面。然而在实际应用中，磁流变阻尼器控制系统具有一定的滞后性，所以一定程度上影响了控制系统的性能，磁流变阻尼器的安装位置以及数量都会影响减振效果，因此，磁流变阻尼器在装置上的结构振动布置还需要进一步研究和试验。近年来，随着海洋事业的发展，很多国内外的专家学者投入大量的时间和精力研究磁流变阻尼器在船舶工程中的应用，并将神经网络技术应用在结构振动控制技术上面，取得了一定的成果。比如，姚熊亮根据MR船用的减振冲击隔离器进行了相关的研究，杨万庆的屋盖MR智能隔离系统以及武汉理工大学徐建维教授等基于神经网络预测MR智能半主动控制技术的研究做出了升船机地震鞭梢效应。然而这些还只停留在研究和试验阶段，还没有真正将其应用在实际工程中。与国外关于磁流变阻尼器的研究和技术相比，还存在很大的差距。

5 结语

近年来，随着计算机技术、信息技术、人工智能技术以及控制技术的发展，极大地推进了电子技术的进步和发展。磁流变阻尼器作为一种智能控制器，未来具有广阔的发展前景，但是目前我国的磁流变阻器的相关技术和设备还不够成熟，还需要进一步研究。

参考文献

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