智能磁-率控式阻尼器的设计与仿真

朱少杰， 于国军， 杜成斌， 王凌云， 黄俊驰

(1. 江苏大学土木工程与力学学院， 江苏镇江212013； 2. 河海大学力学与材料学院， 江苏南京210098)

利用智能振动控制装置对大型土木工程结构进行抗震减振，可以最大限度地减轻地震灾害[1-2]。基于磁流变(MR)材料研发的各类MR阻尼器是一种智能减振控制装置，可解决土木工程结构中的振动控制问题。MR阻尼器是MR减振领域中技术相对较为成熟的耗能器件，但是，单一的减振工作机理导致MR阻尼器对工程结构减振受到一定的限制，无法减缓土木工程结构因自身刚度不够而在巨大的冲击荷载下产生的变形甚至破坏。除此之外，MR减振装置属于有源器件，一旦发生电路故障失去磁场控制，减振装置将失去半主动振动控制的意义。

磁流变胶泥(MRG)主要由弹性胶泥、软磁铁颗粒和添加剂等材料组成，具有阻尼力调节范围宽和不易沉降等优点，在抗冲技术领域具有较好的应用前景[3]。Li等[4]设计的多绕组MR阻尼器比传统的多绕组MR阻尼器具有更大的动态范围和更高的效率。周治江等[5]、 王芳芳等[6]对MRG的制备方法和力学性能进行了相关的实验研究，结果表明，MRG的性能与磁场、铁粉含量、剪切应变以及剪切频率等因素有关。

剪切增稠(ST)材料主要在软体护具领域，特别是军工领域以及抗冲减震等领域具有应用价值。王胜[7]认为ST材料是与应变率有关的新型材料，主要包括剪切增稠流体(STF)和剪切增稠凝胶(STG)两大类材料。文献[8-10]中研究了STF与复合增强纤维的复合，并对复合纤维材料的抗冲防刺性能进行了相关研究，结果表明，STF与复合增强纤维的复合使得复合纤维材料的抗冲防刺性能大幅提高。Zhang等[11]设计单出杆式STF黏滞阻尼器并进行动态特性研究，结果表明，单出杆式STF黏滞阻尼器具有较好的减振耗能特性。近年来，研究者试图将其他性能引入到MR材料中，以进一步扩大MR材料的应用领域。Wei等[12]制备了一种新型的MRG材料，既可以以固态形式存储，也可以通过提高温度而使其表现出液态性能。

目前，对具有优良剪切变硬和MR性能的多功能复合材料的研究报道相对较少。本文中采用这种多功能复合材料，结合新型的阻尼器的力学模型，设计一种智能磁-率控式阻尼器。通过设计阻尼器的结构形式和材料参数[13-14]，实现低频磁控减振、高频耗能和抗冲耗能等性能。与传统黏滞阻尼器相比，克服传统黏滞阻尼器工作频率单一，无法对不同激励频率都能有效控制的缺陷。与现有阻尼器相比，本文中主活塞采用MR-ST夹层圆盘和双层活塞杆实现永磁磁场可调，具有高频抗冲耗能的特性；副活塞采用励磁线圈实现阻尼连续可变，具有磁控减振的特性。通过主活塞和副活塞的协同工作来适应不同振动激励频率的环境。

1 材料制备与测试

MR-ST材料的制备以硅硼共聚物作为剪切硬化基体材料的主要成分，通过添加交联剂使基体材料具有速率敏感特性。制备的主要原材料包括聚乙二醇(PEG)、纳米二氧化硅及分散剂无水乙醇。制备的主要仪器包括搅拌装置和真空干燥箱。

1)STF的制备。 STF的制备方法主要是将分散相微颗粒均匀地分散到分散介质中。 本文中通过添加一定量的稀释剂和长时间超声分散的方法进行制备， 主要分为以下3个步骤： ①根据制备的STF的浓度， 分别计算所需分散介质和二氧化硅粉体的质量； ②取少量二氧化硅粉体加入计算所需分散介质与一定量无水乙醇稀释剂的混合溶液中， 超声分散， 直至二氧化硅颗粒均匀分散， 然后重复添加和超声分散， 直至计算所需的全部二氧化硅添加完毕； ③室温真空干燥后，高温(100 ℃)真空干燥，直至除去添加的无水乙醇和可能混入的少量气泡和水分。

2)MR-STF的制备。 将载液添加到纳米二氧化硅粉体中， 并使用搅拌器将2种组分机械混合1 h。 然后将所得悬浮液置于真空干燥箱中数小时以消除气泡。 另一种颗粒也与载液混合以进行比较。 二氧化硅(牌号为S5631， 日本Sigma-Aldrich公司)的一次粒径为1～5 μm， 密度为2.6 g/cm3。 先制备一种STF， 由悬浮在溶剂中的纳米二氧化硅颗粒和PEG组成， 然后用不同质量比的羰基铁颗粒和STF制备一系列MR-STF。 MR液中的磁粉采用平均粒径为3.5 μm的羰基铁颗粒(牌号为C3518， 江苏天一超细金属粉末有限公司)， 加入预先称量的一定质量的固体铁微球， 以形成几种不同质量分数的MR-STF混合物。 在机械搅拌条件下， 将颗粒与基液充分混合约10 min， 然后将所得混合物中放入真空干燥箱内去除多余的气泡。实验制备的阻尼器缸体中所需材料的体积约为6 L。

采用MCR302型旋转流变仪测试MR-ST材料的流变特性， 结果如图1所示。 从图中可以看出， 在无磁场的情况下， MR-STF与STF动力学性质非常相似， 说明MR-STF在无磁性的情况下可以作为正常的STF工作。 与无磁场的情况相比， MR-STF在有磁场的情况下的性能有很大的不同。 MR-STF的黏度随着磁场强度的增大而增大， 这也说明MR-STF在有磁场的情况下可以作为正常的MRF工作。 在有磁场的情况下， 羰基铁粉颗粒的用量越大， MR-STF的MR效应越强， ST作用相对变弱。 以上结果表明， MR-STF既有MR效应又有ST效应。

(a)无磁场

2 结构形式设计与工作原理

根据地震作用情况下建筑结构的层间位移要求，设计智能磁-率控式阻尼器的位移限值。国家标准GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》对楼层最大位移与层高比(层间位移角限值)给出如下规定[15]。

对于罕遇地震作用下建筑结构的薄弱层弹塑性变形，应满足

Δup≤[θp]H，

(1)

式中： Δup为智能磁-率控式阻尼器允许发生的最大的塑性层位移； [θp]为结构的弹性层间位移角θp的限值，对于钢筋混凝土建筑结构，取值为1/50；H为一般建筑结构的层高。

本文中选择建筑结构的层高为3 m，则有3 m×1/50=60 mm，因此本文中阻尼器的最大设计位移为±60 mm。考虑到高频小振幅情况下的结构位移，弹簧的最大压缩量取为6 mm。

2.1 结构形式设计

基于制备的MR-ST材料设计智能磁-率控式阻尼器，基本构造如图2所示。

1—轴用拉耳环， 数量为1； 2—主活塞杆， 数量为1； 3—前端盖， 数量为1； 4—后端盖， 数量为1； 5—O型密封圈1，数量为7； 6—半环1， 数量为2； 7—隔磁铜片， 数量为2； 8—线圈套筒， 数量为1； 9—螺钉， 数量为8； 10—蝶形弹簧， 数量为4； 11—O型密封圈2， 数量为4； 12—Yx型密封圈， 数量为1； 13—连接缸盖， 数量为1； 14—半环2， 数量为6； 15—副缸体， 数量为1； 16—主缸体， 数量为1； 17—拉杆螺栓1， 数量为4； 18—拉杆螺栓2， 数量为4； 19—副活塞1， 数量为2； 20—夹层钢板1， 数量为2； 21—副活塞杆， 数量为1； 22—副活塞2， 数量为1；23—半环挡板， 数量为2； 24—夹层钢板2， 数量为2；主活塞由14、 20、 24组成。

2.2 工作原理

智能磁-率控式阻尼器的工作原理采用剪切阀式。 与传统的剪切阀式MR阻尼器相比， 该阻尼器的不同之处在于设有主活塞和副活塞2种活塞。 主活塞磁路结构为永磁体构成的复合磁路， 工作间隙处磁场可调； 副活塞为励磁线圈磁路， 工作间隙处磁场也可调。 阻尼器的可调阻尼力由主活塞和副活塞一起提供。 主活塞与活塞杆之间固定配合， 副活塞与活塞杆之间设置碟形弹簧， 碟形弹簧具有一定的压缩量， 使得阻尼器在小振幅振动下只有主活塞工作， 此时， 阻尼器的阻尼力可调， 同时也可以起到抗冲的作用。 在大振幅振动下， 阻尼器主活塞和副活塞共同工作， 能够显著改善阻尼器的出力和抗冲的效果， 克服了传统MR阻尼器大振幅低频振动下阻尼力减小的问题。 相比传统的MR阻尼器， 该阻尼器更适用于土木工程中的振动控制。

2.3 力学模型理论分析

2.3.1 ST阻尼器的力学模型分析

阻尼器活塞的运动速度v0与阻尼力F间的关系式为

其中

(2)

2.3.2 主活塞夹层板的阻尼力模型分析

圆(环)板变形理论为

(3)

式中：wmax为活塞夹层板的最大变形挠度；q为均布荷载；t为活塞夹层板厚度；R为活塞夹层板半径；E为活塞夹层板的弹性模量；σmax为活塞夹层板的最大应力；k1、k2为活塞夹层板的计算系数。

(4)

式中：η为ST塑性体的零场表观黏度；D0为活塞夹层板直径；v为活塞夹层板的运动速度。

2.3.3 智能磁-率控式阻尼器的阻尼力模型分析

智能磁-率控式阻尼器的阻尼力模型为

F=

式中：F2为碟形弹簧作用的阻尼力；x为阻尼器的振幅；F′(x)为副活塞作用的阻尼力；τy为MR-STF的剪切屈服强度。

阻尼器的阻尼力最大设计值为243.22 kN。主活塞单独工作时，最大出力为69.5 kN；主、副活塞同时工作时，最大阻尼力为243.22 kN。

3 磁路及结构有限元分析

3.1 磁路的有限元仿真

智能磁-率控式阻尼器的磁路主要包括主活塞磁路， 下面对智能磁-率控式阻尼器的主活塞磁路进行有限元仿真分析， 以确定磁路中的各部分参数。 利用ANSYS软件建立主活塞有限元模型， 对智能磁-率控式阻尼器的主活塞进行有限元仿真分析， 以确定磁路中永磁体的尺寸。 智能磁-率控式阻尼器主活塞磁路的磁力线与磁感应强度分布如图3所示。从图3(a)中可以看出，所有的磁力线均通过工作间隙，并且在各工作间隙处分布均匀。从图3(b)中可以看出， 活塞磁轭处的磁感应强度最大， 最大值达到1 T， 原因是在活塞磁轭处， 垂直于磁力线的截面积最小。 对比图3(c)、 (d)可以看出， 发生在磁极根部的最大磁感应强度主要为轴向， 最大值达到1 T， 而径向磁感应强度几乎为0。 考虑到漏磁， 智能磁-率控式阻尼器主活塞工作间隙处的实际磁感应强度约为0.5 T， 基本接近MR-ST材料的饱和磁感应强度0.4 T。 由此可知， 智能磁-率控式阻尼器主活塞工作间隙处的最大磁感应强度满足设计要求。

3.2 结构的有限元仿真

ABAQUS软件是一种功能相对丰富的工程模拟有限元分析软件， 具有较多的材料模型库， 同时， 该软件有较丰富的单元类型， 可以解决实际工程中的许多问题， 并有很强的非线性问题的处理能力。 用户定义结构尺寸、 材料特性、边界条件和荷载工况等后， ABAQUS软件通过自动选择合适的增量步和收敛准则， 可以处理各种高度非线性问题，包括各种复杂的接触问题等[15]。 本文中利用ABAQUS软件， 对智能磁-率控式阻尼器的结构进行有限元仿真， 校核阻尼器关键部位的强度[16-17]， 仿真结果如图4所示。

表1所示为阻尼器结构各工况应力。 由表可知， 在不同工况下， 阻尼器结构的整体、 副活塞和主活塞部位的应力值均小于材质的屈服极限值。

由有限元分析结果可知，智能磁-率控式阻尼器在大、 小位移情况下，整体的应力小于屈服应力，主、副活塞的应力也均较小，满足结构设计要求。

4 结论

本文中设计了一种智能磁-率控式阻尼器。通过理论与有限元的分析，解决了现有阻尼器存在的一些关键问题。基于有限元仿真结果与理论计算结果的对比，验证了智能磁-率控式阻尼器设计的合理性和正确性。

1)智能磁-率控式阻尼器结构主要包括MR-ST夹层圆盘的主活塞， 并且主、 副活塞缸筒内填充MR-ST材料， 具有高频抗冲耗能和磁控减振的特性。主活塞采用双层活塞杆实现永磁磁场可调，无需外部能源，以适应高频冲击荷载。副活塞采用励磁线圈实现阻尼连续可变，以适应不同激励频率的振动响应。建立了智能磁-率控式阻尼器的力学模型，通过理论计算智能磁-率控式阻尼器的阻尼力最大可达243.22 kN。

表1 阻尼器结构各工况应力

2)基于结构的有限元仿真， 合理设计了智能磁-率控式阻尼器的结构， 并验证了智能磁-率控式阻尼器的阻尼力理论计算的可行性和合理性。

3)智能磁-率控式阻尼器具有高频抗冲耗能、磁控减振的双重减振机理，对该减振装置应用于大型土木工程结构，尤其是多跨连续桥梁的结构振动控制中具有重要的意义。