蔣 濤,張啟煥，劉 浩

（三江學(xué)院 ,南京 210012）

0 引言

磁流變液，通常被簡稱為：MR流體（Magnetorheological Fluid），是一種可以在外加磁場作用下流變特征發(fā)生巨大變化[1]的可控流體。作為新型智能材料的一種前景相當(dāng)廣泛。磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體，它在固液兩態(tài)之間可以進(jìn)行毫秒級的快速可逆轉(zhuǎn)變，其粘度保持連續(xù)變化，可對其進(jìn)行實時控制，耗能極小[2]。

提到振動，大家都不會陌生。不論是汽車還是火車，乃至是飛機(jī)，都會在運行過程中產(chǎn)生振動，從而降低乘客的舒適度，這種情況飛機(jī)尤其突出。這里面的振動是機(jī)械振動，也就是物體在平衡位置附近做出的往復(fù)運動。在精密機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，如果在通常的環(huán)境下進(jìn)行工作，由于嚴(yán)重的振動干擾，工作就無法正常進(jìn)行，精密定位變得無法實現(xiàn)?，F(xiàn)代建筑物高度不斷增長，尤其是越來越多的摩天大樓拔地而起，這使得建筑物受風(fēng)載荷后振動變得非常嚴(yán)重，另外，有可能發(fā)生的地震對建筑物也會有巨大的破壞作用[3]。

1 磁流變液阻尼器

磁流變液阻尼器的主要工作原理是通過改變磁場強(qiáng)度使阻尼器工作間隙中的磁流變液表觀粘度產(chǎn)生相應(yīng)的改變，從而使阻尼力發(fā)生改變[4]。勵磁線圈中電流大小的改變可以導(dǎo)致磁場強(qiáng)度的變化。

磁流變液阻尼器的工作模式有流動和剪切模式兩種，這種劃分是根據(jù)磁流變液在阻尼器里面的流動情況而來的。

處于流動模式時，兩極板被固定住，液體流動的動力是裝置里面的壓力差。如下：

在流動模式下，總壓力差約等于ΔPη與ΔPτ之和。ΔPη是與磁場無關(guān)的粘性分量，ΔPτ是磁場引起的屈服應(yīng)力分量，Q是體積流速，η是磁流變液的零磁場粘度，L是極板長度，ω是極板寬度，τy是施加的磁場強(qiáng)度引起的動屈服應(yīng)力。參數(shù)c的最小值為2，最大值為3。

在剪切模式的情況下，兩極板間會產(chǎn)生相對移動，從而引起剪切阻力，該阻力可表示為兩部分：

公式中的Fη表示粘性力分量，F(xiàn)τ表示屈服力分量，是磁場引起的。S表示兩極板間相對速度。

2 振動控制

從引言可知，嚴(yán)重的機(jī)械振動對各種結(jié)構(gòu)會造成損壞，會使人們產(chǎn)生不舒服的感覺，所以設(shè)法減小振動帶來的影響非常重要。所謂振動控制，就是指對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)或不穩(wěn)定性加以控制，將系統(tǒng)的振動水平控制在允許的范圍內(nèi)[5]。一般將振動控制方法分為主動控制、被動控制和半主動控制三種[6]。

主動控制是一種有源控制的方法，通過產(chǎn)生可控的次級力與擾動力相抵消，從而達(dá)到降低振動干擾的目的。目前，各種智能材料與結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于振動的主動控制中，智能材料與結(jié)構(gòu)通過傳感器、控制器與作動器的集成可以最大程度地與被控對象緊密結(jié)合，盡量減小對原有結(jié)構(gòu)的影響。

被動控制是指用隔振、吸振、耗能以及方式減小結(jié)構(gòu)的方法來降低振動，是無源控制的一種。其控制目標(biāo)的達(dá)成大多是采用在結(jié)構(gòu)的某特定部位安裝某種裝置來達(dá)成的，經(jīng)常用于安裝的裝置是需要可以改變結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼的。

另有混合控制方法，叫做半主動控制。由于主動控制的結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，因此成本較高，尤其對于大型的結(jié)構(gòu)來說，想達(dá)到理想的控制效果需要非常大的作動力，因此實現(xiàn)起來非常困難；可是被動控制效果也是有很大局限性的，單獨的被動控制裝置基本上達(dá)不到理想效果，為了解決這些被人詬病的方面，人們嘗試用主動控制一些結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼等動態(tài)參數(shù)的方法來實現(xiàn)理想目標(biāo)，也就是半主動控制。

3 磁流變液阻尼器在振動控制中的應(yīng)用

半主動控制方法與主動控制相比，具有耗能小，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，與被動控制相比，具有性能可以根據(jù)環(huán)境而改變，適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點。而磁流變液阻尼器正好是能夠輸出可控的阻尼力的器件，因此廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的半主動控制當(dāng)中。

奧迪、凱迪拉克等汽車公司已廣泛地將磁流變阻尼器應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動控制中，通過傳感器檢測行駛中的汽車運動的參數(shù)，實時地將信號傳送到控制器，由控制器控制磁流變液阻尼器以減小汽車行駛中的振動問題。

由于磁流變阻尼器具有阻尼力大，結(jié)構(gòu)簡單的突出優(yōu)點，被應(yīng)用于建筑與橋梁的結(jié)構(gòu)減振控制中，美國Lord公司專門為大型建筑所設(shè)計的磁流變液阻尼器的最大輸出阻尼力可達(dá)到200KN，可調(diào) 系數(shù)達(dá)到10[4]。

4 結(jié)論

嚴(yán)重的機(jī)械振動對各種結(jié)構(gòu)會造成損壞，會使人們產(chǎn)生不適的感覺，所以振動控制的研究有著非常重要的意義。耗能少，結(jié)構(gòu)簡潔，適用范圍廣，這些是半主動振動控制很顯而易見的優(yōu)勢。磁流變液阻尼器被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、橋梁建筑產(chǎn)業(yè)等。

[1]汪建曉,孟光. 磁流變液研究進(jìn)展[J].航空學(xué)報,2002,23(01):6-12.

[2]王鴻云,鄭惠強(qiáng),李泳鮮.磁流變液的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008,(05).

[3]周錫元,閻維明,楊潤林.建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動控制[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2002,(02).

[4]余昭. 磁流變液阻尼器負(fù)載建模與分析及驅(qū)動研究[D].重慶大學(xué),2013.

[5]劉旭輝.磁流變液阻尼減震器及其振動控制的研究[D].天津理工大學(xué),2005.

[6]季宏麗.智能結(jié)構(gòu)的自感知主動振動控制以及半主動振動控制的研究[D].南京航空航天大學(xué),2007.