逆变型MR阻尼器的磁路改进及仿真分析.pdf

逆变型MR阻尼器的磁路改进及仿真分析① 董彬闫维明 (北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100022) 摘要MR阻尼器是一种良好的半主动控制装置，为了改进其较依赖能源，磁流变液易沉降等弱点， 本文作者曾研制了一种逆变型MR阻尼器．并对其进行了足尺力学性能试验．本文对试验结果进行了 分析，对逆变型MR阻尼器的磁路进行了改进，并应用ANSYS进行了仿真分析．结果表明，改进后 的磁路能够充分发挥永磁体和励磁线圈的工作性能，在不通电流的情况下逆变型MR．阻尼器可以提供 100kN以上的阻尼力。在线圈通电时可以使工作气隙中的磁感应强度降为零，从而增大逆变型MR阻 尼器的动态范围，使逆变型MR阻尼器在力学性能和稳定性方面达到了同类普通MR阻尼器的水平． 关键词磁流变阻尼器；逆变；磁路；磁场；有限元仿真 1引言 磁流变(MR)阻尼器作为一种基于智能材料的半主动控制装置，具有结构简单、响应快、 动态范围大、阻尼力大且连续可调的特点，并且克服了以往半主动控制装最在成本和技术上的缺 陷，受到了国内外学者的重视，展现出广阔的发展前景，并且在部分实际工程中已有成功应用。 然而MR阻尼器本身也存在着不足之处：当MR阻尼器通电流时阻尼增大，导致阻尼器工作 在大阻尼状态时对能源依赖性增加。对于大多数的土木工程应用情况，阻尼器在大阻尼状态时作 为被动控制使用，对结构反应也有较好的控制效果…。维持一定的阻尼力是MR阻尼器发挥其控 制能力的重要前提，因此MR阻尼器在未遇到地震等灾害发生时一般处于被动控制状态即大阻尼 工作状态。MR阻尼器维持在大阻尼状态时一般需要10—100W左右甚至更高的电能供应，虽然 这种能源需求在大多数情况下是可以满足的，但是考虑到此种大阻尼状态的工作时间非常之长， 其巨大的能源消耗和维护则成为一个推广应用的限制性因素，而且若地震发生时电源失效，则其 也丧失了半主动控制装置所兼有的被动控制装置的可靠性；反之，若在未遇到地震等灾害发生时 不作为被动控制装置，MR阻尼器长期处于零磁场状态磁流变液也易凝聚和沉降，影响其工作性 能。 本课题组提出了一种逆变型MR阻尼器，通过在MR阻尼器中设置永磁体，保证其在电源切 断及无能源输入时工作在大阻尼状态，通过励磁线圈调节磁路气隙中磁场的大小，使得阻尼器阻 尼大小可调，复合磁路使磁流变液克服了易凝聚和沉降的缺点，弥补上述传统MR阻尼器的不足。 设计并制作了足尺逆变型MR阻尼器，通过试验研究了其力学性能。 本文应用ansys针对在试验中出现的问题以及试验结果，进行了计算分析，并对磁路设计进 行了进一步的优化。 ①基金项目{国家自然科学基金项目50478042) 963—— 1 磁路模型以及工作原理 逆变型MR阻尼器的磁路原理如图1所示，即在磁路部分同时设置励磁线圈和永磁体，由电 磁场与永久磁场组成复合磁场。当线圈不通过电流时，阻尼间隙处的磁场由永磁体产生，磁流变 液处于“固化状态”，阻尼器可以提供较大的阻尼力；当线圈通电时，线圈产生与永久磁场反向的 磁场，从而导致阻尼间隙处磁通减小，磁流变液逐渐“软化”，阻尼器的阻尼力减小。 图1复合磁路原理图 圈2阻尼器磁缸结构图 逆变型磁流变阻尼器的阻尼力计算公式与传统的磁流变阻尼器基本相同。对于阀式磁流变阻 尼器，当理想Binghailo体流过阻尼间隙时，阻尼力F(，)可表示为j 12rtL4．．．3Zr sgnIu(t)】 (1) 4 ^ Ⅱ／)oh。 式中，L为磁路有效长度：h为阻尼间隙；_为磁流变液的动力粘度；矗为磁流变液剪切屈服强 度，与外加磁场强度有关；“(0为活塞与缸体间的相对速度；一。为活塞的有效面积，^=Ⅻ(移一铲)／4； D为主缸内径；d为活塞杆直径；D。为阻尼通道中心线的直径。 由式(1)可以看出，逆变型MR阻尼器的阻尼力是由第一项粘滞阻尼力和