磁流变阻尼器-课件.ppt

1、Products of LORDAudi TT (￥400,000-700,000)Audi R8(￥2320,000-2780,000)Buick Lucerne(￥300,000-500,000)Ferrari 599GTB(￥5000,000)Holden HSV Commodore(￥1200,000-2000,000)地势MRF-122EG Magneto-Rheological Fluid Fast Response Time responds instantly and reversibly to changes in a magnetic field.Dynamic Yield

2、 Strength provides high yield strength in the presence of a magnetic field and very low yield strength in the absence of a magnetic field;allows for a wide range of controllability.Temperature Resistant performs consistently throughout a broad temperature range,meeting the requirements of demanding

3、applications such as automotive shock absorbers.Hard Settling Resistant provides high resistance to hard settling;easily redispersed(重分散).Non-Abrasive(零磨损)formulated to not abrade(损伤)the devices in which the MR fluid is used.Features and BenefitsWhat are magneto rheological fluids?Magnetorheological

4、 fluids belong to the group of so called controllable fluids.This means that they exhibit a significant change in their rheological behaviour when an external magnetic field(外部磁场)is applied to them.They are indeed composed of micron-sized magnetic particles(微米级磁粒),located inside a liquid carrier,tha

5、t form chain-like structures when the external magnetic field is applied,resulting in an increase of the apparent viscosity(粘性)of the fluid(Fig.1 and 2).Fig.1:Chain-like structures formation in the MR fluid underan externally applied magnetic field(from LORD corporation)Fig.2:Chains formation in a d

6、rop of MR fluid(from ISC Fraunhofer)The rheological behaviour of MR fluids is often represented as a Bingham plastic model with a variable yield strength depending on the applied magnetic field H(Fig.3a and 3b).The flow is governed by the equation:where is the shear stress,is the shear strain and is

7、 the viscosity of the fluid.The operating range is the shaded area in Fig.3c.Below the yield stress(at strains of the order of 10-3),the MR fluid behaves viscoelastically:Where G is the complex material modulus.This model is also a good approximation for MR devices.However,the actual behaviour is mo

8、re complicated and includes stiction(静摩擦)and hysteresis(磁滞现象)such such as shown in Fig.3.d Fig.3:(a)and(b)Bingham plastic model,(c)Operating range,(d)Hysteretic behaviour in MR fluid devices 磁滞现象在铁磁性材料中是被广泛认知的。是指在磁化和去磁过程中，铁磁质的磁化强度不仅依赖于外磁场强度，还依赖于原先磁化强度的现象。当外加磁场施加于铁磁质时，其原子的偶极子按照外加场自行排列。即使当外加场被撤离，部分排列仍

9、保持：此时，该材料被磁化。在该材料中，磁场强度（H）和磁感应强度（B）之间的关系是非线性的。如果在增强场强条件下，此二者关系将呈曲线上升到某点，到达此点后，即使场强H继续增加，磁感应强度B也不再增加。该情况被称为磁饱和（magnetic saturation）。如果此时磁场线性降低，该线性关系将以另一条曲线返回到0场强的某点，该点的B将被初始曲线的磁感应强度量BR叫做剩磁感应强度或剩磁（remanent flux density）相抵消。如果绘制以外加磁场的全部强度的二者关系图，将为S形的回路。S的中间厚度描述了磁滞量，该量与材料的矫顽力相关。该现象的实际影响可为，例如，当通过磁芯的外加电流被

10、撤离，由于残留磁场继续吸引电枢，而引起滞后从而延迟磁能的释放延迟磁能的释放。磁滞现象 Hysteresis 磁流变阻尼器的力学模型虽然多种多样,而且有些能很精确模拟阻尼器的动态特性,但是无法直接反映阻尼器的逆向动态特性。由于磁流变阻尼器的研究涉及到电磁学、流体力学、热力学以及机械学等多学科,这些学科的交叉和融合为研究带来了挑战,但这些研究是使磁流阻尼在工程应用中不可缺少的关键技术。B-H loop对于晶粒取向电材料的一组B-H环路（BR 表示剩磁，而HC为矫顽力。）Working modes of magneto rheological fluidsMagnetorheological flu

11、ids can be operated in three distinct modes Valve mode Direct shear mode Squeeze mode Fig.4 Working modes of MR fluids The fluid is located between a pair of stationary poles.The resistance to the fluid flow is controlled by modifying the magnetic field between the poles,in a direction perpendicular

12、 to the flow(Fig.4a).Devices using this mode of operation include servo-valves,dampers,shock absorbers and actuators.(a)Valve mode阀阀 valve mode is the most widely used of the three modes.An MR device is said to operate in valve mode when the MR fluid is used to impede阻碍 the flow of MR fluid from one

13、 reservoir储存仓 to another.Figure 5.MR fluid used in valve mode The fluid is located between a pair of moving poles(translation or rotation motion).The relative displacement is parallel to the poles(Fig.4b).The apparent viscosity,and thus the“drag force”applied by the fluid to the moving surfaces can

14、be controlled by modifying the magnetic field between the poles.Devices using this mode of operation include clutches离合器,brakes,locking devices and dampers.(b)Direct shear mode剪切剪切 An MR fluid device is said to operate in shear mode when a thin layer(0.005 to 0.015 in.)of MR fluid is sandwiched betw

15、een two paramagnetic顺磁性 moving surfaces.Shear mode(see Figure 6)is useful primarily for dampers that are not required to produce large forces and for clutches and brakes.Figure 6.MR fluid used in shear mode The fluid is located between a pair of moving poles.The relative displacement is perpendicula

16、r to the direction of the fluid flow(Fig.4c).The compression force applied to the fluid is varying periodically间歇性.Displacements are small compared to the other modes(in the order of millimetres)but resistive forces are high.As for the two other modes,the magnitude of these resistive forces can be c

17、ontrolled by modifying the magnetic field between the poles.While less well understood than the other modes,the squeeze mode has been explored for use in small amplitude vibration and impact dampers.(c)Squeeze mode挤压挤压 A device that uses squeeze mode has a thin film(on the order of 0.020 in.)of MR f

18、luid that is sandwiched between paramagnetic pole surfaces as shown in Figure1.Figure 7.MR fluid used in squeeze mode There are three types of control:passive,active and semi-active.A passive controller is a system that does not require power to operate and directly damps vibration or movement.Activ

19、e control requires significant power to run and applies a force directly into the system to damp vibration.Semi-active control requires minimal power and it applies a force that changes the systems physical properties,therefore damping the vibration.The MR damper is a semi-active control device.MR d

20、amper结构振动的主动质量驱动AMD（Active Mass Driver）控制系统 When MR fluid is used in the valve mode,the areas where the MR fluid isexposed to magnetic flux lines are usually referred to as“choking points”(seeFigure 4).In the case of the damper depicted in Figure 4,MR fluid restricts the flow of fluid from one side

21、of the piston to the other when the fluid is in theVicinity邻近的 of the“choking points”shown.Varying the magnetic field strength has the effect of changing the apparent viscosity of the MR fluid.The phrase“apparent viscosity”is used since the carrier fluid exhibits no change in viscosity as the magnet

22、ic field strength is varied.Upon exposure to a magnetic field,the MR fluid as(a whole)will appear to have undergone a change in viscosity.As the magnetic field strength increases,the resistance to fluid flow at the choking points increases until the saturation point饱和点 has been reached.The saturatio

23、n point is the point where any increase in magnetic field strength fails to yield an increase in damper resistance.This resistance to movement that the iron particles exhibit is what allows us to use MR fluid in electrically controlledviscous dampers.Figure 9.Typical MR damper.近似磁感线磁性线圈Figure 10.Mon

24、otube MR damper section view.Monotube单管单管 and Twin Tube双管双管 Magneto-Rheological DampersDouble-ended MR damper The double-ended MR damper(see Figure 11)is one that has piston rods of the same diameter直径 that protrude through伸出 both ends of the damper.Since there is no change in volume as the piston r

25、od moves,the double-ended damper does not require an accumulator or other similar device.Double-ended MR dampers have been used for bicycle applications,gun recoil applications,and for stabilizing buildings during earthquakes.Figure 11.Double-ended MR damper磁流变阻尼器在建筑结构减振中的应用磁流变阻尼器在建筑结构减振中的应用 传统的建筑抗震

26、主要是加强结构自身的强度来抵御外来动力作用；被动控制很难满足地震作用下随机动力的作用；主动控制虽然能满足抗震要求，但所需外部能量较大，耗资大，在地震时很难保证能源供给，因此在实际工程中较难被应用。随着土木工程领域内学者的深入研究，近十几年，使用磁流变阻尼器的半主动控制已被应用于各种不同建筑结构的减振中。实践证明将磁流变阻尼器用于建筑结构的减振控制中能取得较好效果。1995年，美国Lord 公司在第五届电磁流变体国际会议上展示了具有高性能参数的电/磁流变液和相应研制成功的几种性能优良的小型磁流变液阻尼装置，引起了学术界很大的振动，从而掀起了磁流变液及其装置的研究热潮。从那年开始，两年一届的国际电

27、流变会议易名为国际电磁流变会议。1996年以来，Spencer等人研究了磁流变阻尼器的阻尼力模型、结构磁流变阻尼器的地震反应。美国NotreDame大学的G.Yang等人将磁流变阻尼器用于土木工程中的大型结构地震响应的控制中。许多学者对安装了磁流变阻尼器的高层建筑进行减振分析：1 周 云,吴志远,梁兴文.磁流变阻尼器对高层建筑风振反应的半主动控制J.地震工程与工程振动,2001,21(4)：159-162.2 周 云,邓雪松,吴志远.磁流变阻尼器对高层建筑风振的舒适度的半主动控制分析J.地震工程与工程振动,2002,22(6)：135-141.3 涂建维,瞿伟廉.设置磁流变阻尼器的高层钢架支撑

28、体系的地震反应研究J.工程抗震与加固改造,2006,28(2)：73-77.郭安薪等将磁流变阻尼器和粘滞阻尼器相结合用于上海广畅国际大厦的减振分析，结果表明该方案能够很好的控制结构在地震作用下的响应。2005年薛素铎，卞晓芳将SMA-MR阻尼器用于大跨度挑棚结构的减振控制中。磁流变阻尼器还被用于空间结构和大平台多塔楼结构的减振分析中，其中大平台多塔楼结构在磁流变阻尼器半主动控制策略下，使结构的基底剪力与平台层间位移比隔震结构减小17%-20%左右。为了能够更有效的抑制结构的地震反应，大批学者投入到MRFD 半主动控制系统的技术改善研究中，探讨了利用Soong等人提出的移相法对MRFD 半主动控

29、制系统的迟滞进行补偿，并做了带有磁流变阻尼器的结构振动实时控制实验。韩国Inha 大学的S.B.CHOI等人深入研究了磁流变阻尼器磁流变阻尼力的滞后模型。还有一些学者对磁流变阻尼器在建筑结构的减振控制策略进行改进和优化。Ribakov和Gluck于2002年发表了题为Selective controlled bade isola-tion system with magnetorheological dampers的文章，对五种在不同位置安装MR阻尼器的基础隔震结构进行了分析。周丽等使用神经网络技术实现了磁流变阻尼器对结构振动的优化控制。磁流变阻尼器在桥梁工程减振中的应磁流变阻尼器在桥梁工程减

30、振中的应用用 斜拉索是斜拉桥中重要的承重构件，由于柔性大，阻尼小，易于产生各种类型的振动。传统的方法均是在斜拉索上安装被动阻尼器，由于被动阻尼器的阻尼系数是恒定的，不可能对每根索都有良好的减震效果。为了有效的控制桥梁结构的地震反应，近年来国内外学者投入了大量的研究。例如，中国第一座三塔斜拉桥洞庭湖大桥安装了磁流变阻尼器并进行了试验，实验结果显示安装磁流变阻尼器的减振效果明显优于传统的减振方法。广东省地震工程与应用重点实验室进行了高速公路跨线桥地震反应的智能磁流变控制。中国地震研究所的李小军等建立桥梁的有限元模型，在桥梁的支座和伸缩缝处共安装8组磁流变阻尼器对箱型梁桥地震反应半主动控制进行分析。

31、香港理工大学的段元锋等设计了专门用于索承结构中斜拉索开环振动控制的磁流变阻尼器。Goudaninejad 等于1998年研究了设置两个MR阻尼器的两跨桥梁的减振能力。湖南岳阳洞庭湖大桥的风雨振控制试验,结论表明将磁流变阻尼器应用于桥梁结构的减振控制能取得接近与主动控制的效果，是一种经济、可行的减振方案。目前比较典型的一种控制原理：利用加速度或力传感器测量拉索的振动信号，经过信号放大，AD转换后，将信号送入控制器，用一定的控制算法对信号进行处理输出的信号经DA转换，通过调节阀调节可控流体的电场或磁场强度，使可控流体实现自由流动、粘滞流动和半固态的交替变化导致可控流体屈服剪应力的变化，从而调整阻尼

32、器的驱动力；另一方面阻尼器的驱动力反作用到拉索，抑制拉索的振动从而实现对拉索振动的反馈控制。此控制过程可用下图表示：由上图可以看出，装有MR阻尼器的半主动控制结构与原结构相比，最大位移和最大速度分别减少了74和79，从而说明MR阻尼器是一种非常有效的半主动控制装置；但与主动控制相比还不能达到主动控制的效果，这是因为半主动控制的控制力的大小和阻尼器的状态有关，不能随意调整。磁流变阻尼器模型研究中存在的问题磁流变阻尼器模型研究中存在的问题 目前国内外所研究的磁流变阻尼器参数化模型都是想通过对某一型号的磁流变阻尼器在一定频率的激励下多次实验,再根据实验数据,采用优化方法对实验曲线(应力-应变曲线、示

33、功曲线、力-速度曲线)进行曲线拟合从而得到相应的模型参数。实验发现阻尼器的输出特性不仅跟电压(或者电流)有关,而且与激振频率也有关。所以这样得出的模型用于实际振动控制中存在很多不足。在给定位移和电压(或电流)下,通过这些模型可以很容易求得阻尼器产生的力,但是它们都存在某些缺陷:有的虽然简单,便于数值处理,但是不能很好地模拟磁流变阻尼器的非线性动态特性;有的虽然很好地模拟磁流变阻尼器的非线性动态特性,但是模型由强非线性方程构成,参数过多,不便于数值处理,如果给定位移和力,要想求得电压(或电流)就非常困难和耗时。把这样的模型用于半主动控制,会导致复杂的控制器设计和控制滞后,而且各模型可能只适用于相

34、应结构的阻尼器。磁流变阻尼器的工作性能受控于很多因素。除磁场强度外,磁场分布不均匀性、阻尼器的结构参数(流道的形状、节流孔的分布及尺寸)、活塞材料性质。温度、外加磁场方向与流体流动旋涡方向的不一致性,特别是外加磁场强度、含纳米微粒的磁流液压力-粘度特性及磁流固液界面特性对阻尼性能的影响很大。目前国内外学者的研究主要集中于主控线圈输入原始参数(如电流、电压等)与阻尼器输出参数(如示功图、阻尼力等)间的宏观特性关系方面,而对于输入输出过程参数的研究报道很少。从多相流角度而言,磁流体在未加磁场时的粘度性能易于确定,且对于均匀磁场下磁流体粘度的宏观物性已开始研究,且有初步的认识。涉及阻尼可控的微观领域

35、,如通过节流孔的油压应力场分布也有学者开始研究。但油液耦合机理、液固界面效应及节流阻尼参数的有限元优化的研究未见相关报道,与可控技术实现的相关理论如基于磁流磁粘特性的磁场控制模式阻尼元件匹配及阻尼器的结构涉及等也有待进一步探讨。磁流变阻尼器发展趋势磁流变阻尼器发展趋势 近年来，经过诸多学者的不懈努力，磁流变阻尼器被广泛应用于抗震减振工程中。从工程应用的角度讲，MRF控制技术有以下几个发展趋势：(1)多将磁流变阻尼器应用于有待加强抗震加固的建筑的加固改造中的技术需要进行大量的研究、试验；(2)探索研究更为有效、易行的MRF半主动控制系统的时滞补偿方法。在实际工程应用中，磁流变阻尼的控制系统客观存

36、在时间滞后，影响控制系统的性能；(3)磁流变阻尼器在结构振动控制中的优化布置方案需要进一步研究、试验。实际工程中，磁流变阻尼器的数量和安装位置都会对结构减振效果产生影响；(4)神经网络在结构振动控制的应用是目前国内外研究的热点，也取得了很多成果。但对于其在实际工程的应用还有待大量深入的研究，结合试验开发基于非参数模型的控制算法。(5)新型MRF材料研究。磁流变液材料在近10年取得了重大进展，已有了商业化的产品出现，但是仍然不能满足工程实际应用的要求。在实际工程应用中的问题集中体现为：磁流变液出现磁性颗粒团聚；磁性颗粒随时间推移出现沉降；在高温或低温下载体液不稳定。因此研究出能有更高稳定性的新型磁流变液材料将是今后研究的热点。