阻尼器的控制器（共7篇）
阻尼器的控制器 篇1
电流变液(Electrorheological Fluid)是一种新型的智能材料,它在没有电场作用时是一种低粘度的液体,在外加电场作用下,液体的流变性质发生改变,其粘性增加并产生屈服应力;当电场强度达到某一临界值时,电流变液迅速由液态向类固态转变,具有很大的屈服应力。在电场作用下电流变液体的表观粘度和屈服应力无级连续变化,便于实现实时控制;这种转变是可逆的,即撤去外加电场后,电流变液体又从类固态转变成原来的状态;响应时间一般为几个毫秒;并且实现这种转变的能耗非常低。
1 电流变液材料及其性质
1.1 电流变液材料
电流变液主要有悬浮体系电流变液和均相体系电流变液通常我们研究较多的是悬浮体系电流变液,它是由细微的固体颗粒均匀地分散在绝缘的母液中所配得的悬浮液。一般三部分组成:
(1)基础流体(分散介质):要求绝缘性好(低导电率或绝缘),零电场时粘度小。最常用的有硅油;
(2)固体颗粒(分散相):一般为极细小(直径1-100μm)的固体粒子或粉末,要求粒度小,介电常数大。目前有离子导体、金属导体、半导体和高分子电解质等;
(3)添加剂:主要是表面活性剂,一般为水。添加剂对于实用的电流变体系是必须的。添加剂的作用机理一是防止颗粒的凝聚,使体系稳定而提高屈服应力;二是添加剂可以增加离子数量或使其易于运动而加大了离子极化,使屈服应力增加。
1.2 电流变液材料的性质
1.2.1 随着对电流变液的组成及电流变液效应产生机理的深入研究,人们普遍认为性能良好的电流变液应具有以下性质:稳定性好,无沉淀,零电场粘度低,达到固化状态的电场强度小,工作温度范围宽,能耗小,工作频带宽,价格低廉,无毒,无腐蚀等特性。
1.2.2 电流变液的力学模型
为了解释电流变液的工作机理,曾提出过多种理论,但目前较为流行的是颗粒极化理论(Particle Polarization Theory)。这种理论认为,粒子通过电场的极化作用产生电流变效应,在电场作用下,粒子像铁屑在磁场中的排列一样,形成一个链状结构;而在没有形成颗粒链的间隙处,粒子之间相互吸引,构成纤维状排列。当链系受到剪切作用时,粒子被拉开, 但电荷仍在互相吸引,这种吸引力就是剪切阻力。由于电场的大小决定了在粒子中移动的电荷量,因而电场强度与剪切阻力成正比,当链系上的拉力超出吸引力时,粒子链断裂,电荷不再从粒子上分离,电流变液恢复流动特性,这种粒子链断裂与重组的平衡状态可用屈服应力τy表示。电场中两个偶极子间会产生相互作用,流场等因素决定了电流变液系统的状态。低电场下以热运动为主,系统为液态;当电场上升使得偶极子相互作用克服了热运动,介电颗粒很快开始沿电场方向排列并在两个极板之间形成链状结构。设导致固化的电场为临界电场EC。当E>EC时,电流变液体系变硬;E
τ(E,θ)=η(θ)γ+τy(E,θ)sgnγ
式中:η为塑性粘度,θ是液体摄氏温度,可以近似为零场粘度η0,τy(E,θ)与电场的a次幂成比例,a取值在1.2-2.5之间,根据实验确定。Ugaz等在1994年采用核磁共振成像技术研究了 电极间电流变液体流动情况,用Bingham粘塑性体本构模型可以很好地解释其流速分布。Bingham粘塑性体本构模型假定电流变液为屈服后的准稳态层流,不能描述屈服前电流变液的力学特性。
2 电流变液阻尼器
由于电流变液的表观粘度和屈服应力可由外加电场瞬时控制,所需电能很小,为此人们研制开发出了以电流变液体为工作介质的电流变阻尼器,实现阻尼的无级可调,用于结构和机器设备的振动抑制和隔离。
电流变液阻尼器根据不同实际应用环境,有多种形式,从阻尼力产生的机理的角度看可分为三种类型:剪切模式阻尼器、流动模式阻尼器和复合模式阻尼器。
2.1 剪切模式阻尼器
剪切模式阻尼器一般由活塞杆、活塞体、电极和工作缸等几个重要部分组成。其主要特点是工作缸两端压差近似等于零,电极间隙中电流变液体基本处于非流动状态,阻尼力来源于活塞电极对流体的剪切作用,通过调节施加在电极间的电场场强来调节电流变液体流体的阻尼力,以实现调剂阻尼力的目的。如果电极是转动的,则为扭转电流变液体阻尼器;如果电极是平动的,则为直线型阻尼器。
2.2 流动模式阻尼器
流动模式阻尼器主要由活塞杆、活塞体、电极和工作缸等几个重要部分组成,它与剪切模式阻尼器在结构上的重要差别在于活塞体与工作电极是分离的,即工作电极是固定的,当活塞进行往复运动时,电流变液在活塞两端产生压力差,而这个压力差促使电流变液体在电极间隙内作往复流动,于是电极间隙对电流变液体就产生了节流作用,进而就形成了阻尼力。通过调节施加在电极间的电场强度就可以调节阻尼力。
2.3 复合模式阻尼器
复合模式电流变阻尼器也是由活塞杆、活塞体、电极和工作缸等几个重要部分组成,它综合了上述两类阻尼器的特点,即阻尼力的产生是由于电流变液在流经工作电极间隙时对电流变液体的剪切作用加上电极间隙对电流变液的节流作用共同完成的,改变作用于电极间的工作电压,即可改变电极间流体的流变状态进而达到调节阻尼力的目的。
3 电流变液阻尼器的模糊控制
3.1 模糊控制[3]
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础并借助计算机实现的一种非线性智能控制。
3.1.1 模糊控制系统的组成
① 模糊控制器:
实际上是一台微计算机,根据控制系统的需要,既可选用系统机,又可选用单片机或单板机。
② 输入/输出接口装置:
模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量,并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换,转变为模拟信号,送给执行机构去控制被控对象。
③ 广义对象:
包括被控对象及执行机构,被控对象可以是线型或非线性的、定常或时变的,也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情况。
④ 传感器:
传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号的一类装置。
3.1.2 模糊控制的优点
模糊控制理论[4]具有许多传统控制方法无法比拟的优点,其中主要有:
① 使用语言方法,可不需要掌握过程的精确数学模型。
② 对于具有一定操作经验而非控制专业的工作者,模糊控制方法易于掌握。
③ 采用模糊控制,过程的动态响应品质优于常规控制,并对过程参数的变化具有较强的适应性。
3.1.3 模糊控制器设计中的主要问题
① 精确量的模糊化,把语言变量的语言值化为某适当论域的模糊子集。
② 模糊控制算法的设计,通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则,并计算由此所决定的模糊关系。
③ 输出信息的模糊判决,并完成由模糊量到精确量的转化。
3.2 电流变液阻尼器的模糊控制
电流变阻尼器一般与弹簧组合使用构成工程中广泛使用的减振系统,此系统的工作原理如下:将簧载质量的平衡位置0 视为理想的控制目标,当有路面激励或扰动输入时,簧载质量将会偏离平衡位置而上下摆动,此时的偏差e=0-z1。将此偏差e及其导数e按照大小和方向进行分类,经过模糊控制器的处理得到相应的控制信号,此控制信号通过高压发生器生成相应的电压加到电流变液阻尼器上,完成控制过程。
工程上应用较多的是模糊控制器与PID控制器相结合组成的FUZZY-PID控制器。FUZZY-PID控制器既能够在复杂的非线性、大滞后的对象控制中表现出优越的性能,也能够适用于可建立精确数学模型的线性定常系统,并且具有良好的鲁棒性。常见的FUZZY-PID控制器有FUZZY与PID的双模控制器、补偿式FUZZY-PID控制器和FUZZY自整定PID参数控制器。
4 电流变液阻尼器的工程应用
电流变液阻尼器与模糊控制理论的结合使得电流变液阻尼器在汽车工程、土木工程减震结构体系等方面的应用更具潜力。
4.1 在汽车工程上的应用
车辆悬架系统位于车身与车轮之间,通常由弹性元件和阻尼元件组成。悬架系统设计的好坏对车辆的总体性能有重要影响,其主要功能主要体现在:
① 支承车体或车身;
② 隔离路面对车身的激励,抑制车轮与车身的共振,提供良好的乘坐舒适性或平顺性;
③ 使非悬挂质量尽量跟随地面运动,减小车轮与地面之间附着力的损失,保证良好的轮胎接地性,从而提供良好的行驶安全性;
电流变液阻尼器在汽车工程上的应用主要是利用其阻尼系数连续可调的特性与弹簧组成主动悬架或半主动悬架。其控制原理是:将汽车车身加速度和速度作为控制器的输入,得到的输出信号经过电压发生器产生用于控制电流变液阻尼器的电压信号,电流变液的阻尼系数随电压发生相应的变化,阻尼器产生适当的阻尼力,使汽车悬架能最佳地适应路况,提高汽车的安全性和乘坐舒适性。
4.2 在土木工程减震结构体系中的应用
由于建筑结构构件一般较粗笨且由混凝土材科制成,电流变液材料无法直接融合到此种材料中起调节智能结构构件参数以减小结构地震反应的作用。因此唯一的途径是用它作成由电流变阀控制的智能可调阻尼器,并把智能可调阻尼器与结构构件结合,最终制成智能可调参数结构构件。根据电流变效应的特点,在土木工程中电流变液主要被用来制作可控的阻尼器,即用加电场的电流变液来作阻尼器参数调整的控制阀,以实现对阻尼器参数的连续、可逆和迅速的调整,电流变液可控阻尼器与普通结构构件组成智能可调结构体系,可以减小由于风力及地震等引起的建筑物的振幅,从而增加建筑物的安全和舒适性。
此外,电流变液阻尼器还可以用于机器人活动关节、航空、航天领域的防振系统及机械加工颤振控制等领域。
5 结束语
随着电流变液技术的不断成熟和完善,电流变液智能阻尼器也越来越多地应用到了实际工程中,也成为当前研究的热点,但现有的电流变液阻尼器也存在一些问题:
① 电流变液的剪切应力较小,并且在实际应用中的动态情况、高剪切速率条件下性能变差;
② 电流变液阻尼器的控制策略不够完善;
③ 电流变液装置设计方面的问题以及电流变效应机理模型的不完善。
参考文献
[1]Stanway R.and Sproston J.L,electro-rheological fluids:a systematic approach to classifying modes of operation ASME J.Dyn.Sys,Mea.Contr.Vol.116,No.3,1994,498-504.
[2]Kamath G.M.Hurt M.K.and Wereley N.M.,Analysis and testing of Bingham plastic behavior in semi-active electrorheo-logical fluid dampers,Smart materials and structures,No.5,1996,576-590.
[3]Copeland,R.P.,Rattan,K.S.,A fuzzy logic supervisor for PID control of unknown systems,Intelligent Control,1994,Proceedings of the1994IEEE International Symposium on,pp:22-26.
[4]李士勇.模糊控制.神经控制智能控制理论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.
调谐液柱阻尼器的阻尼性能研究 篇2
1 调谐液柱阻尼器运动方程
调谐气压液柱阻尼器TLCD的构造如图1所示,管柱的截面可以为方形,圆形或其他形状。B和H为液柱(一段水平管道和两段斜向管道)的长度,其对应的截面面积为AB和AH。阻尼器直接固定在结构的楼层或屋面上。
在某高层结构第i层放置一调谐液柱阻尼器,用以控制结构的水平位移,阻尼器管道中的理想液体运动方程可由广义Bernoulli方程建立[2],
式中为TLCD中液体运动的绝对加速度,ρ为液体的密度,g=9.81 m/s2为重力加速度,x为液面高度,p为液面压强。
2 非线性阻尼
该阻尼器利用U/V型管状容器中液体振荡过程产生的阻尼来减小结构的振动。运动的液体产生沿程水头损失(能量损失),这种损失是TLCGD耗散能量的主要部分,用压强损失表达则为
式中为液体沿管壁的相对速度,λ为与雷诺数有关的沿程阻尼系数。
阻尼力为
引入水头损失系数δL=λ/(2Leff)[1/m]代入公式(1),液体的运动方程改写为
为地震波的水平分量,为i层楼板的平动加速度。阻尼器的自振频率为。
为了在频域范围内分析结构-TLCD系统动力响应,需将式(4)进行等效线性化处理,将TLCGD的非线性阻尼力用等效线性阻尼力代替,则运动方程转化为线性形式。
3 等效阻尼线性化
式(4)中非线性阻尼等效为粘性阻尼,其等效原则为:等效粘性阻尼在循环一周内消耗的能量等于要简化的非粘性阻尼在同一周期内消耗的能量。
假定在简谐激励下,液体的稳态响应为u(t)=Umax cos(ωAt),则在微位移du内由等效阻尼力做的微功为,它在一个振动周期内T内消耗的能量为
在简谐响应下,TLCGD非线性阻尼力可表示为
因此,在一个振动周期T内消耗的能量为
令E1=E2得到阻尼器等价线性阻尼比ζA=(4/3π)UmaxδL,Wmax式中为TLCD振动幅值。所以等效阻尼线性化后液体运动方程简化为
一般来说,等价线性阻尼比ζA通过对阻尼器优化设计得到,因此δL可由优化ζA来决定。图2为线性阻尼力,(ζA=0.045,ωA=2π0.09)和非线性阻尼力,(δL=1.325)与液体相对速度的关系,δL由试验测定的液体最大位移umax=80.00 mm得来。
4 Simulink仿真
用Simulink[3]软件包对该系统进行建模、仿真和分析,图3为使用MATLAB下的Simulink模块建立的仿真模型。
框图中,elcentrosn是输入的地震波,Ca模块中的参数用于输出结构某层的加速度,wy-Scope和jsd-Scope模块分别用于生成结构的位移和加速度的反应曲线。
5 数值计算
某47层建筑高度为199 m,平面尺寸为65 m×65 m,结构质量为41 788 t,前三个频率为0.099 6、0.224 7和0.362 9Hz[4]。把该结构看成单自由度体系,在顶层设置一220 t调谐液柱阻尼器,该阻尼器β=30°,AH/BH=3,当线性阻尼比ζA为0.08时液体最大位移为Umax 5.44 m,结构的最大位移为2.57 m,见表1。如果把TLCD的运动方程用非线性阻尼表示,那水头损失系数δL=3πζA/4Umax为0.034 6 m-1。该结构在El-Centro波作用下通过Simulink仿真得到:考虑非线性阻尼振动控制的效果比考虑线性阻尼要好。
6 结论
通过以上分析,可以得出以下结论:
1)液体在U型水柱中的运动阻尼是非线性的,通过能量等效原则,得到等价线性阻尼比。
2)通过Simulink仿真对两者阻尼进行比较,得出带有非线性阻尼的TLCD高层建筑的减震效果略优于带有等价线性阻尼的TLCD。
参考文献
[1]Sakai F,Takaeda S,Tamaki T.Tuned liquid column damper-new type device for suppression of building vibration.Proc.Int.Conf.on High-rise Buildings,Nanjing,China,1989,926-931
[2]Ziegler F.Mechanics of Solids and Fluids,corr.Repr.2nd ed.Springer,New York,1998
[3]MATLAB,User Guide,Control Toolbox.MathWorks Inc.,Version6.5.1,2002
对几种软钢阻尼器的研究 篇3
地震是一种破坏力极强的自然灾害, 而我国恰好位于世界上两个最活跃的地震带之间, 地震带来了巨大的人员伤亡和经济财产损失, 1976 年唐山7. 8 级大地震, 伤亡近40 万人, 直经济损失达近百亿元人民币, 更为惨烈的还有发生在2008 年5 月12 日的汶川地震。我们发现建筑物的倒塌不仅直接夺去了人们宝贵的生命, 还是火灾、疾病等严重的次生灾害的源头, 因此, 提高建筑工程的抗震能力是减轻地震灾害的根本途径。
传统的结构抗震设计是通过加强自身的强度和刚度来提高结构的抗震能力和规范的抗震设防标准, 主要途径有增强自身尺寸、使用高强混凝土等, 主要依据构件的变形来耗散地震输入能量, 但这种方式容易超出预算而且缺乏自我调节能力。自1972 年J. T. P. Yao[1]提出结构控制的概念后, 各国工程师们才将控制理论和控制系统引入结构工程中, 从此开启了新型抗震设计的大门。结构消能减震技术正是这样一种新型的主动防灾减灾技术, 它采用具有较大耗能能力的阻尼器作为结构的某些非承重构件 ( 如支撑、节点、楼层空间等) , 利用其变形来耗散能量。在小震弱风时, 结构处于弹性状态, 本身就具有足够的抗侧刚度来满足正常使用要求; 当大震强风时, 随着结构侧向变形的增大, 阻尼器先于承重结构构件进入非弹性状态, 产生较大阻尼力, 集中耗散掉一部分能量, 以减轻结构的振动反应, 从而达到减震的目的。我国2010 年公布并实施的GB50011- 2010《建筑抗震设计规范》中关于隔震消能设计方面也有明确规定。
已经开发和利用的阻尼器形式各异, 常用的有软钢阻尼器。软钢是一种硬度小, 含碳量低的低碳钢, 其强度稍小但塑性高, 因而软钢阻尼器具有稳定的良好的低周疲劳特性、滞回特性, 可不受环境温度的影响, 而且方便安装, 易于更换。以下是几种较为常见和新近开发的阻尼器。
1 剪切板阻尼器
剪切板阻尼器由腹板、侧翼缘和端连接板组成, 通过中间钢板的剪切变形来消耗地震产生的能量。Kivoshi Tanaka等[2]在1999 年通过设置合理的加劲肋改善了由于增加腹板宽厚比而使主体结构先屈服的情况, 由于腹板被加劲肋分割成数块小型剪切板, 变相地减小了其宽厚比, 使腹板截面上多点同时达到屈服, 有效提高延性的同时改善了滞回环发生的拟合现象, 并且刚度和强度均没有产生退化, 但考虑到焊缝的残余应力等因素对阻尼器稳定性的影响, 加劲肋的数目要合理限制。2010 年, 王强[3]提出一种新型剪切板阻尼器, 即在腹板上开三个上下并排的椭圆形孔洞, 外轮廓为弧形, 随后运用ABAQUS软件进行数值模拟分析其力学性能, 无明显应力集中现象, 比较地震作用下安装该阻尼器的框架的模拟与实验数据, 结果表明该阻尼器可明显降低结构顶层的绝对位移。杜德月、张汝涛[4]在2011年运用ETABS建立钢框架模型, 输入地震波后, 对比原结构与安装剪切板阻尼器的模型的位移、速度, 加速度时程曲线, 其各项数据都有所减小, 达到了较好的耗能目的。2011 年, G. Gortes等[5]调整了条形阻尼器的一些参数并将其安装在上下层梁之间, 以起到了保护梁柱及其结点的作用, 通过对阻尼器试件进行数值仿真模拟和参数分析, 找出阻尼器的最优形状, 最后将其安装在结构中, 对安装和未安装阻尼器的钢筋混凝土框架结构进行试验, 通过对比发现条形阻尼器是一种性能良好的减震耗能装置。
2 加劲阻尼器
加劲阻尼器 ( 简称ADAS) 是由数块相互平行的不同形状的钢板 ( 如X形、三角形、中空菱形等) 和定位装置组合而成, 一般安装在人字形支撑顶部和梁之间。在地震作用时, 加劲阻尼器在层间相对位移影响下会产生水平相对运动, 通过钢板的弹塑性变形耗散掉由地震输入的能量。
Kelly等[6]在1972 年首先发明了软钢屈服耗能器, 其中包括扭转梁、弯曲梁和耗能器, 主要是依靠梁的变形来耗能, 并在1980 年最早把U型钢板阻尼器应用在实际工程。中国引进并研究开发阻尼器的时间并不长, 陈清祥等[7]在2002 年提出了在矩形钢板上开菱形孔的耗能装置, 称之为制震板 ( HADAS) ( 见图1) , 地震作用时钢板的每个截面均可以维持相同的曲率从而达到同时屈服来耗能的目的, 其滞回曲线形状类似纺锤, 耗能系数较高, 并在2004 年将该阻尼器用于西安长乐苑招商局广场4 号楼的加固工程[8] ( 见图2) , 后委托中国建筑科学研究院结构研究所进行抽样检测, 结果证明达到规范要求。随后, 邢书涛[9]对制震板进行了数值模拟和低周反复静力加载试验, 分析其力学性能和减震机理, 模拟1 栋布置阻尼器的框架结构, 输入不同类型不同峰值的地震波进行分析, 通过有控和无控体系的对比表明多数情况下该阻尼器并不能明显降低加速度反应, 但可以显著减小层间位移, 从而避免薄弱层的发生。2007 年张文元[10]对安装开菱形孔阻尼器的三层钢框架模型进行振动台试验和ANSYA数值模拟, 结果证明该阻尼器在地震作用下的确有良好的减震效果, 而且减震效果与地震幅值成正比。
3 防屈曲支撑
防屈曲支撑 ( 简称BRB) 是一种新型软钢屈服耗能支撑构件, 通过钢材的轴向拉压屈服变形来消耗能量。屈曲约束支撑一般由核心单元、约束单元及滑动机制单元组成, 滑动机制是一层无粘结材料, 用于确保核心钢板上的轴力不传送到外约束上。防屈曲支撑相比普通支撑的优点是在受力情况下发生屈服而非屈曲。
2006 年, 李妍等[11]对一字型防屈曲支撑进行试验, 观察其静力往复荷载下破坏特征, 然后逐个改进直到出现饱满滞回曲线, 之后进行安装该支撑的单自由度框架的拟动力试验和数值模拟, 二者数据吻合, 对比有控体系和无控体系的试验结果后发现该支撑有效提高了结构的抗震能力。
2009 年, 周云等[12]依据核心单元局部削弱相当于其他部分加强的设计理念, 提出开孔式和开槽式支撑, 设计了两种三重钢管屈曲约束支撑, 一种开孔, 另一种不开孔, 通过循环加载试验研究其滞回性能, 结果发现二者的耗能能力相差无几, 而开孔式支撑的优势在于能够实现定点屈服, 减轻了加工难度的同时避免了材料的浪费。
4 特殊形状阻尼器
Yasushi[13]研究了一种蜂窝状阻尼器 ( 见图3) , 随后通过试验得到其滞回曲线 ( 见图4) , 并将该阻尼器安装于19层钢框架结构中来研究其抗震性能, 结果表明它能够很好地保护主体结构, 同时还增加了结构的舒适度。
李刚、李宏男[14]在2007 年对他们发开的单圆孔和双X形阻尼器 ( 命名为“双功能”阻尼器) 进行了往复加载试验和模拟, 比较二者的滞回曲线, 并将其安装在某综合实验楼中, 随后对该结构运用ANSYS进行仿真模拟分析, 结果表明该阻尼器实现了小震下提供给结构较大初始刚度, 大震下消耗地震能量的“双功能”设计思想。随后, 李刚、李宏男又在2010 年对装有“双功能”软钢阻尼器的框架结构进行了模拟地震振动台试验和数值仿真分析[15], 对试验结果进行能量耗散分析, 该阻尼器在地震作用下有三种破坏形态, 分别是: 屈服、明显变形、破坏, 对比有控结构和无控结构的位移反应。结果显示, 两种“双功能”软钢阻尼器都能很好控制结构的位移反应, 同样具有“双功能”的还有刘锋等[16]在2010 年研究出一种新型软钢阻尼器, 它的耗能部分由两种不同尺寸和厚度的X型软钢片组成, 对其进行渐增位移低周反复荷载试验得到其滞回曲线和初始刚度, 随后进行固定位移疲劳性能试验和ABAQUA有限元数值模拟, 两种数据无明显误差, 实现根据地震力的大小分阶段屈服耗能的目的。
杨军[17]提出了U型软钢阻尼器, 两片U型钢板通过高强螺栓与上下槽钢连接在一起, 用四根连杆限制其竖向位移, 通过拟静力往复加载试验得到该阻尼器的滞回性能, 随后模拟地震作用时安装该阻尼器的平板网架结构的动态响应, 对比分析有控和无控状态下的节点位移和杆件内力的控制效果, 证明该阻尼器可吸收地震输入的大部分能量。
吴成亮[18]根据钢塑性滞回变形耗能的特性, 提出了两种弧形阻尼器, 一种是半圆形, 一种是在半圆形的基础上加一直线段而成的弓形, 计算其屈服强度和极限强度后, 进行了数值仿真和试验研究, 比较二者的滞回曲线发现屈服应力基本一致, 屈服后刚度稍有差异。总之, 该阻尼器具有稳定的滞回特性, 可以在桥梁、建筑领域广泛应用。
徐艳红等[19]提出一种新型软钢阻尼器, 具有抛物线外形, 该阻尼器平面内弯曲耗能, 实现了全长截面同时屈服, 减少应力集中现象, 充分利用材料, 并根据力学相关理论, 对四个试件进行了拟静力试验, 得到延性系数和耗能系数, 证明其良好的变形能力和耗能能力, 之后运用ANSYS建立模型, 得到端部和沿长方向测点的应变、应力数据, 再与试验结果比较发现屈服力相对一致。
5 结语
软钢阻尼器由于其装置简单、材料经济、减振效果好等特点, 在实际结构控制中具有广泛的应用前景。它可以适用于低层、多层和高层建筑、普通钢筋混凝土结构、钢结构、新建工程和已有建筑物的抗震加固和改良。目前, 软钢阻尼器已在部分工程中得到了应用, 但仍存在一些有待解决的问题。
1) 软钢阻尼器的性能受其几何形状影响较大, 在加工、安装过程中焊接的残余应力等不确定因素易造成误差, 进而影响其滞回性能的稳定性。
2) 由于阻尼器在模拟与试验时受力情况简单, 相对实际应用中复杂情况, 可能达不到预期的减震效果, 因此, 应加强对工程的观测和记录工作, 为以后的优化设计提供数据支撑。
3) 完善软钢耗能减震加固技术的设计理论、本构关系及计算方法, 加强相应的分析软件的开发和应用, 以便对各种耗能装置进行比较和优化分析。
摘要：现今, 建筑高度随时在刷新纪录, 外形也越加标新立异, 因此, 更有效的消能减震方式成为人们共同的追求。本文介绍了一种新型抗震设计方法, 即利用软钢阻尼器先于主体结构进入屈服状态来耗散能量, 随后分析了几种不同形式的软钢阻尼器的构造和性能, 最后提出一些在未来发展中有待探索的问题。
粘弹性阻尼器的计算模型分析研究 篇4
关键词：模拟,粘弹性阻尼器,等效标准固体模型
结构振动控制作为一种抗震方式,利用粘弹性阻尼器进行结构减振就是一种有效的被动控制方法。由于它具有构造简单、施工方便、造价低廉、性能良好等许多优点,越来越多地被用于建筑结构的抗风抗震工程中,如西雅图的哥伦比亚中心大厦[1]。大量的研究和实际应用证明:粘弹性阻尼器具有很好的耗能特性,能有效地减小建筑结构的风振和地震反应。
由于粘弹性阻尼器的耗能性能受到温度、频率和应变幅值的影响,目前对其耗能性能的描述均不能很好地反映温度及频率的影响,为了更好地弄清粘弹性阻尼器对结构的减振效果,必须加强对其力学性能及计算模型的研究本文研究分析了种力学计算模型,然后通过对某橡胶厂的ZN30阻尼材料性能试验进行计算分析,得出了相关结论。
1 粘弹性阻尼器的计算模型
1.1 Kelvin-Voigt模型
Kelvin-Voigt模型是由弹性元件和粘性元件相互并联而成,其本构关系为:
其中,q0,q1均为由粘弹性材料性能确定的系数。
在简谐应变的激励下,由本构关系式(1)可以导得:
研究表明,Kelvin-Voigt模型能很好地反映粘弹性阻尼器的蠕变和松弛现象,但不能反映粘弹性阻尼器的储能模量和损耗因子随温度和频率的变化特性。
1.2 标准线性固体模型
该模型是将粘弹性阻尼器模拟为弹性元件和Kelvin-Voigt元件相串联,则其本构关系为:
其中,q0,q1和p1均为由粘弹性材料性能确定的系数。
在简谐应变的激励下,由本构关系式(3)可以导得:
1.3 等效标准固体模型
粘弹性材料的剪切模量和损耗因子虽都是温度和频率的函数,但它们随温度和频率的变化关系是不完全相同的,当温度处在玻璃态转变温度Tg～Tg+100范围之内时,多数粘弹性材料的温度和频率之间存在着等效关系,即低温与高频的影响等效,高温与低频的影响等效。如果将温度和频率对粘弹性材料性能的影响进行综合考虑,那么将有:
其中,T0为参考温度;αT为温度转换系数,αT=10-12(T-T0)/[525+(T-T0)]。
徐赵东将温频等效原理同标准线性固体模型相结合,并根据实际应用范围加以改进,提出了等效标准固体模型。它不仅保留了标准线性固体模型的优点,而且能够精确地描述粘弹性阻尼器的性能随温度和频率的变化特性。粘弹性阻尼器用于建筑结构减振的温度和频率范围分别为:-30℃≤T≤60℃,0.1 Hz≤w≤10 Hz。在此范围内,为精确地描述粘弹性阻尼器的参数G′,G″,η随温度和频率的变化特性。将式(4)中的频率改成折算频率αTω,并改变频率的指数,可得:
其中,c,d均为由试验确定的指数,式(6)相当于是在式(5)的基础上对γ和τ的微分阶次发生了一些变化,由于其系数和基本形式并没有发生改变,因而其蠕变规律和松弛规律仍然符合式(3)所推导的规律。式(5)和式(6)构成了等效标准固体模型的计算公式。从式(6)可以看出:T一定时,G′随ω增大而增大;当时,η取最大值;ω一定时,G′随T增大而降低;当T为某一值时,η取最大值。这些特性完全正确地反映了阻尼器的性能随温度和频率的变化规律。故等效标准固体模型不仅能正确地反映出粘弹性阻尼器的松弛和蠕变特性,而且能够正确地反映粘弹性阻尼器的性能随温度和频率的变化规律。
2 实例分析
作者通过编制Matlab程序,可以求出ZN30阻尼材料在每种力学模型下的各种参数,q0=3.127 5×106,q1=3.824×106,p1=0.004 1,c=1.25,d=0.65,T0=85℃。并通过试验进行了试验数据与各计算模型数值模拟的比较,ZN30阻尼材料的各参数随温度和频率的变化关系如图1所示。
从图1可以看出,同其他模型相比,等效标准固体模型能很好地计算出粘弹性材料的储能模量G′和损耗因子η在不同温度和频率下的值。精确地描述粘弹性阻尼器在不同温度和频率下的耗能特性,实质上就是精确地确定G′和η在不同温度和频率下的值,因而等效标准固体模型能够较准确地描述粘弹性阻尼器在不同温度和频率下的耗能性能。
3 结语
1)粘弹性阻尼器已经广泛地应用到结构的抗风抗震控制中,在结构中安装粘弹性阻尼器能够有效提高结构的阻尼比,提高结构的抗风抗震能力分别应用模型等效标准固体模型、标准线性固体模型对ZN22型粘弹性阻尼材料的力学性能进行模拟,并且对比每种模型的计算结果与试验结果。结果表明等效标准固体模型的计算结果与试验结果比较相对吻合,KelvinVoigt模型过于简单,计算结果与试验结果相差较大,不适合此种阻尼材料力学性能的模拟。
参考文献
[1]周云,徐赵东,赵鸿铁.粘弹性阻尼结构的性能、分析方法及工程应用[J].地震工程及工程振动,1998(2):60-61.
[2]刘棣华.粘弹性阻尼减振降噪技术[M].北京:宇航出版社,1990.
阻尼器的控制器 篇5
大家都知道在电厂水的预处理中, 加药管道中有两个设备不可缺少, 就是背压阀和阻尼器, 但是可能会有一些人不知道为什么一定要有这两个设备的存在, 本文就主要针对这个问题做解答, 使大家对这两个设备更全面的了解。
1 火力电厂水处理中预处理原理
天然水中含有泥砂、粘土、腐殖质等悬浮物和胶体, 在对原水进行深度处理之前, 必须将它们去除。悬浮颗粒的直径大于0.1μm, 而胶体的粒径处于0.001-0.1μm之间。尺寸较大的杂质可以依靠自然沉降除去, 而尺寸较小的悬浮物和胶体在停留时间有限的水处理构建物中无法依靠重力沉降下来。处于长期悬浮的稳定状态, 可通过混凝处理使它们聚集成大颗粒而除去。因此在火力电厂水处理中, 最初的处理是预处理, 即混凝处理, 原理是:利用混凝剂形成带正电的胶体与水中带负电的胶体发生电中和作用, 使水中的有机物和胶体凝聚成大颗粒而下沉, 从而使水中的悬浮物、胶体物、有机物、微生物、铁、锰、等杂质除去或是含量降低到一定的程度。一般会在水中加入混凝剂, 本文主要是针对混凝剂加入管道中的背压阀与阻尼器的作用的讨论。阻尼器的位置设在加药泵的出口门之后, 然后加入一个压力表, 用于反应阻尼器的出口压力, 再加入背压阀, 用来调剂出口压力。
2 脉动阻尼器及背压阀的原理和作用
阻尼器的原理及作用:阻尼器是消除管路内往复泵引起的脉动和水锤现象的一个常用装置。它利用腔体内气体的可压缩性, 存储和释放液体, 达到减小管路中压力和流量波动的目的。其工作原理是在泵的排出冲程, 脉冲缓冲器内气体被压缩, 脉冲缓冲器内的液体量增加, 这就把泵排出的一部分液体存入了脉冲缓冲器, 削减了流量峰值;在泵的吸入冲程, 脉冲缓冲器内空气膨胀, 脉冲缓冲器内液体流出, 补充管路流量, 增加管路流量谷值, 从而减小了管路的流量脉动。可起到稳定流体压力和流量、消除管道振动、保护下游仪表和设备、增加泵容积效率、避免过流量的产生、减小惯性损失、提高泵的吸入性能、避免水锤对系统的危害、降低流速波动的峰值、保护管路系统不受压力波动的冲击、减少气穴现象等作用。为计量泵创造良好的工作环境并改善泵的工作性能;和背压阀配合使用, 减少背压阀磨损。
背压阀原理和作用:计量泵等容积泵在低系统压力下工作时, 都会出现过量输送。为防止类似问题, 必须在计量泵的进出口至少0.7Bar的背压。通过在计量泵出口管道中安装背压阀就能达到目的。背压阀是通过弹簧的弹力来工作的。当系统压力比设定压力小时, 膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路;当系统压力比设定压力大时, 膜片压缩弹簧, 管路接通, 液体通过背压阀。其作用是可以调节出口压力, 克服原水管道的压力将混凝剂顺利的加入原水管中。背压阀的使用:在出口管路中, 背压阀应和脉动阻尼器同时使用, 用脉动阻尼器吸收泵和背压阀之间的流量峰值。没有脉动阻尼器时, 背压阀将随着每次泵冲程的进行而快速打开和关闭。有脉动阻尼器时, 背压阀将在半开和半关的位置上振荡, 因而脉动阻尼器可以减少背压阀的磨损速度。对于大流量的计量泵, 且出口管路长而细, 背压阀的安装位置应靠近加注点, 以减小虹吸的趋势。当输送含有悬浮状固体的介质, 在背压阀入口端应安装带管堵的三通 (或四通) , 使管路在不拆卸的情况下能够进行清洗。背压阀只是一种管路元件, 只有与其它管路元件 (如脉动阻尼器、安全阀、止回阀、截止阀) 配合使用才能发挥最大效用。因此, 本文中讨论的是背压阀和阻尼器一起使用的情况。那么, 我们可不可以不用背压阀和阻尼器呢?可不可以直接通过泵的压力加药呢?下面就是我们讨论的, 要知道这个答案我们就通过实验完成;此实验的原理是同一台加药泵在冲程一定的情况下, 加大泵的出力频率, 加药量应该呈线性关系。
3 阻尼器和背压阀对加药效果影响的具体实验步骤
实验概述:通过一个已标注体积的溶药桶, 将溶药桶下部连接至实验用加药泵入口, 配置与实际浓度相符的混凝剂浓度, (此实验用5%聚合氯化铝) , 通过加药泵泵加药, 记录加药泵在500到1300频率及60冲程下打出50升PAC溶液所用的时间, (实验中的频率、冲程、加药量都可以根据不同情况修改) 计算加药泵的出力, 并记录;此管路为无背压阀和阻尼器的管路;实验数据如下:
从上述数据中我们可以看出在管道无阻尼器和背压阀的情况下, 泵的加药量并不随着加药泵频率的增加而增加, 而是到达一定的频率后, 加药量随之下降, 这主要是因为伴随这加药量的增大, 取水管的流量相应的也要增大, 而管道的压力也就会增大, 泵的出力就会变小, 要克服取水管的压力变得比较困难, 从而影响加药量, 使我们预处理的效果变差。如果取水浊度在雨季发生加到变化, 依靠次加药很难达到预处理的预期效果。
现在我们给管道加入阻尼器和背压阀, 实验数据如下:
从上面的数据及趋势图中, 可以清楚的看到, 在管道中加入背压阀及阻尼器后, 加药量伴随着泵的频率呈线性关系;这样对于调节加药量就很好控制。
4 结论
通过此实验, 我们的出结论, 阻尼器和背压阀在水的预处理加药管道中不可缺少, 其作用不但是调节加药泵的脉冲作用及调节出口压力, 对泵的出力也有着比较大的影响, 加入阻尼器和背压阀后, 加药量和泵的频率呈线性, 也就是说在取水浊度变化时, 可以根据这个线性关系调节加药量, 即调节加药泵的加药频率, 从而改善水的预处理效果。虽然加入背压阀及阻尼器会增加一定的成本, 但是对于水质的调节改善效果是直接的, 可以保证更合理的加药量, 更好的池水浊度, 保证水的后续处理。因此, 在水的预处理加药管道中必须有背压阀和阻尼器。
参考文献
[1]刘晓平, B.Yang.含粘性阻尼器的机械结构系统根轨迹分岔问[C]//第一届国际机械工程学术会议论文集.2000.
阻尼器的控制器 篇6
关键词：磁流变液差动阻尼器,有限元分析,磁场分析
0 引言
磁流变液 (Magnetorheological Fluid, MRF) 作为一种智能材料, 在没有外界磁场的作用下, 表现为牛顿流体, 当有外界磁场作用时, 可以在毫秒级的时间内由牛顿流体变为粘塑性固体状态, 从而呈现出类似于固体的一些特性。而且由于磁流变液的这种变化具有连续性、可控性、可逆性等特点, 使得磁流变液在机械传动、结构减振、精密加工、柔性夹具等方面得到了广泛地研究和应用[1,2]。
美国Lord公司制造的旋转式制动器, 回转阻尼力可控, 已用于自行车式和台阶攀登式健身器材中[3];中国矿业大学的侯友夫等[4]对磁流变液阻尼器的动力传递机理进行了研究, 并开发了小功率的磁流变液传动装置;王修勇等[5]也设计制作了阻尼力可调范围大、位移不受限制的旋转剪切式磁流变阻尼器;李军强等[6]利用有限元软件对旋转剪切式磁流变阻尼器进行了优化设计并对其力矩输出特性进行了测试, 得到了输出力矩与电流之间的关系。但这些研究中, 都没有彻底改善磁流变液的磁滞问题, 当减小磁流变液所在的磁场强度后, 由于剩磁的作用, 磁流变液的实际磁感应强度比理论值偏大。当作为阻尼器使用时, 对应的输出力矩也明显会比实际需要的力矩偏大, 影响了旋转式磁流变阻尼器输出力矩特性的稳定性。而且现有的旋转剪切式磁流变阻尼器输出力矩的方向与输入力矩的方向有关, 若要改变阻尼器输出力矩的方向则必须要改变输入力矩的方向。
本研究设计一种差动式的磁流变液阻尼器, 采用双阻尼盘分别驱动两个独立的阻尼器。在使用时, 分别增加两个阻尼器对应的控制电流, 即可改变阻尼器整体输出力矩的大小和方向。由于系统采用增加电流的方式来控制磁流变液的磁场强度, 可有效地克服磁滞现象的影响。
1 磁流变液差动阻尼器的设计
1.1 磁流变液差动阻尼器的工作原理
磁流变液差动阻尼器的模型如图1所示。磁流变液差动阻尼器由左、右两个对称的阻尼器组成, 中间采用连接件, 将两个阻尼器刚性地连接在一起。
两个阻尼器分别在两个阻尼盘的驱动下工作, 两个阻尼器内部的线圈分别为各自的磁流变液提供磁场强度。线圈中的电流值越大, 磁流变液的剪切应力越大, 作用在壳体上的力就越大, 阻尼器的输出力矩也越大。磁流变差动阻尼器的模型如图1所示, 不计摩擦作用, 假如作用在左、右两个阻尼盘上的剪切力矩和转动的角速度分别为Mi、Mi'和ω、ω', 整个阻尼器的输出力矩为Mo, 转动的角速度为0。如果Mi和Mi'产生的输出力矩方向相同, 那么整个阻尼器的输出力矩可以表示为Mo=Mi+Mi', 否则Mo=Mi-Mi'。当两个阻尼器产生的输出力矩方向相反时, 增加其中一个阻尼器线圈中的电流值, 整个阻尼器的输出力矩也随之改变。通过对两个阻尼线圈中电流的控制, 实现了对输出力矩大小和方向的控制, 同时还在一定程度上克服了磁滞对阻尼器输出力矩的影响。
1.2 差动阻尼器的输出力矩模型
磁流变液差动阻尼器为完全对称结构, 在分析磁流变差动阻尼器输出力矩时, 为讨论的方便, 本研究先分析其中一个阻尼器的输出力矩, 然后根据对称性得到另外一个阻尼器的输出力矩, 进一步得到总的输出力矩。磁流变液与阻尼盘和壳体之间的关系可以简化表示, 计算简图如图2所示。
为了得到磁流变差动阻尼器理论输出力矩计算公式, 还需要对一些条件进行假设:
(1) 磁流变液为一稳定、不可压缩流体;
(2) 当线圈匝数较多的情况下, 近似地认为作用于磁流变液的磁感强度B处相等;
(3) 磁流变液与阻尼盘和壳体之间不存在相对滑动, 并且忽略阻尼盘边缘处的剪切应力。
根据以上假设可以得到, 一个阻尼器的输出力矩等于一个阻尼盘上的总的剪切力矩。由于阻尼盘的两个面都会受到剪切力矩的作用, 因此, 半径为r处的剪切力矩微元为:
式中:τB—磁流变液在一定磁场强度和剪切速率下的剪切应力;R1, R2—阻尼盘工作部分的内径和外径。
磁流变液在一定磁场强度和剪切速率下的剪切应力τB可以用Bingham模型[7]描述为:
式中:τ0—一定磁场强度下的剪切屈服应力, 大小与磁场强度有关;η—磁流变液的剪切粘度;—磁流变液的剪切速率。
公式 (2, 3) 表明, 在一定的磁场强度下, 磁流变液的剪切应力与剪切速率有关:当磁流变液的剪切速率时, 磁流变液的剪切应力与剪切速率之间是一种线性关系, 此时, 磁流变液呈现出类似牛顿流体的特性;当剪切速率时, 磁流变液表现出粘塑性固体的特性。磁流变液的剪切工作模式可以用公式 (2) 表示。
当磁流变液工作在剪切模式时, 磁流变液的剪切速率将沿着壳体和阻尼盘的轴线方向线性分布。此时, 可以求得不同半径处磁流变液的剪切速率的计算公式为:
式中:ω—其中一个阻尼器阻尼盘的角速度;h—阻尼盘与壳体之间的间隙宽度;r—阻尼盘上任意一点处的半径。
将式 (2, 4) 代入式 (1) 中, 可得到一个阻尼盘上受到的剪切力矩, 即输出力矩为:
式中:4πτ0 (R23-R13) /3—磁流变液的剪切屈服应力产生的力矩, 其大小与磁流变液内部的磁场强度有关;πωη (R24-R14) /h—磁流变液的剪切运动产生的粘滞力矩, 其大小与磁流变液的剪切速率有关。
磁流变差动阻尼器具有对称性, 根据公式 (5) 可以得到另一个阻尼器产生的输出力矩为:
式中:τ0′, ω′—另一个阻尼器的剪切屈服应力和旋转的角速度。
磁流变液差动阻尼器由左、右两个阻尼器组成, 并且每个阻尼器的工作状态相互独立。在两个阻尼器输出力矩方向相同和相反的情况下, 整个磁流变差动阻尼器的输出力矩的大小可以分别表示为:
其中:方向相同时为“+”, 方向相反时为“-”。
以上只是得到了磁流变差动阻尼器的输出力矩模型, 要对磁流变差动阻尼作进一步分析, 还需要先确定其主要零件的尺寸。阻尼盘、壳体和线圈尺寸如表1所示。
2 磁流变液差动阻尼器有限元分析
磁路的简化和材料属性的定义是磁流变液差动阻尼器有限元分析的基础。磁流变液差动阻尼器的磁路简化可以参照相关书目[8]。
磁流变液的壳体和阻尼盘部分采用高磁导率的电工纯铁DT4[9], 磁流变液采用Lord公司的MRF-132DG磁流变液, 其B-H曲线由Lord公司提供[10]。在进行有限元分析时, 本研究所加载的边界条件为通量平行条件, 并且假定没有漏磁现象。
磁流变差动阻尼器内部的磁场分布与两壳体之间的间距有关。为了研究磁流变液差动阻尼器两个壳体之间的距离对磁力线分布状况的影响, 在电流强度相等的情况下, 取磁流变液差动阻尼器两壳体间距为0 mm、0.25 mm、0.5 mm、2 mm、5 mm等不同值时分别建模并进行了仿真。两壳体间距为0 mm和5 mm时的磁力线分布图如图3所示。
从仿真结果可以得出:当两壳体没有间隙时, 两壳体内部的磁力线相互耦合, 当两壳体存在间隙时, 两壳体内的磁力线不发生耦合。两个阻尼器壳体利用中间的连接件连接, 使两壳体之间产生一个空气隙, 防止磁力线相互耦合。本研究利用隔磁材料代替上述的空气隙, 同样进行建模并通过仿真, 得出的结果与上述结果完全一致。由于理论与实际的差别, 间隙值不宜太小, 一般应保证间隙值在1 mm以上。该磁流变差动阻尼器选择两壳体之间的间隙值为20 mm。
磁流变液的相对磁导率比电工纯铁DT4的相对磁导率小很多, 减小壳体与阻尼盘之间的工作间隙有利于提高磁通密度。取工作间隙为1 mm[11], 再次仿真得到电流强度为1.6 A时的磁通密度分布图如图4所示。
从图3、图4中都可以看出, 阻尼盘处的磁通密度比较均匀。由于阻尼器边缘处的横截面积比阻尼盘处的横截面积小, 导致阻尼器边缘处的磁通密度比阻尼盘处的磁通密度大。但是, 磁流变液的剪切应力只与工作间隙处的磁通密度 (即磁感应强度) 有关, 因此, 提高工作间隙处的磁感应强度有利于提高磁流变液的剪切应力。
此外, 磁流变液的磁感应强度还与线圈中的电流有关。为了得到线圈中的电流与磁流变液磁感应强度之间的关系, 本研究在0.2 A~2.4 A的电流范围内, 每隔0.2 A为一个步长, 分别对磁流变差动阻尼器进行有限元仿真。由于磁流变差动阻尼器在结构上具有对称性, 取其中一个阻尼器的工作间隙处的磁感应强度值的平均值作参考值, 得到的I与B的值如表2所示。
利用Matlab对表2中的数据进行二次曲线拟合, 可以得到电流I与磁感应强度B之间的关系为:
B与I的二次拟合图如图5所示。
本研究用到的磁流变液的剪切屈服应力由MRF-132DG的剪切屈服应力τ0 (单位:k Pa) 与磁感应强度B (单位:T) 之间的关系图经二次拟合得到:
将公式 (8, 9) 代入到公式 (7) 中, 利用Matlab拟合处理后可得:
公式 (10) 中阻尼盘的内径R1和外径R2为常数, 磁流变液的剪切速率η=0.112 Pa·s, 阻尼盘的角速度ω和ω′也可保持为一稳定值。因此, 磁流变差动阻尼器的输出力矩Mo只与电流I和I′有关。当两个阻尼输出力矩的方向相同时, 增加其中一个阻尼器中的电流就可以增加差动阻尼的输出力矩Mo;当两个阻尼器输出力矩的方向相反时, 增加电流I, 输出力矩Mo增加;增加电流I′, 输出力矩Mo减小, 如果I′足够大, 输出力矩Mo的方向将发生改变。由于控制输出力矩Mo的电流并没有减小, 避免了磁滞现象的发生。
3 结束语
通过分析与仿真, 本研究得到了磁流变差动阻尼器输出力矩与控制电流之间的关系。同传统的旋转剪切式磁流变阻尼相比, 磁流变差动阻尼器能够在不产生磁滞的情况下, 通过增加线圈中的电流改变输出力矩的大小。
在下一阶段, 本研究将对磁流变差动阻尼器的力矩输出特性进行测试, 以不断提高磁流变差动阻尼器的特性, 为磁流变差动阻尼器的应用奠定基础。
参考文献
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阻尼器的控制器 篇7
在一定条件下，形状记忆合金(SMA)奥氏体相在外力作用下将产生应力诱发马氏体相变，而马氏体相在外力作用下产生马氏体再取向可消耗一定的能量，所以无论是在奥氏体态还是在马氏体态，形状记忆合金都具有良好的减振能力。近年来在工业领域，形状记忆合金的减振性能受到许多研究者的关注[1,2,3]。
在形状记忆合金的应用中，当利用材料的形状记忆效应即材料处于马氏体状态时，必须在加载后进行加热以回复其原有形状。而应力诱发奥氏体向马氏体相的转变，既具有消耗能量的作用，同时在卸载时形状可以自由回复[4]。利用形状记忆合金的高阻尼及超弹性可以设计阻尼器或隔振器应用于结构振动的被动控制领域[5,6,7]。
本文以奥氏体态TiNi形状记忆合金环作为耗能元件，设计了一种新型的阻尼器，并对其振动特性进行了测试和分析。
1 试验过程
1.1 TiNi合金环的制备
试验所用原材料为Ti-50.9%Ni(原子分数)冷轧带材，将其加工成厚度为1mm、宽度为25mm的薄带。加热到773K时保温1h，随炉冷，其目的是消除加工硬化，获得室温完全马氏体态的合金，以降低其硬度。随后将合金带弯曲成圆环形，并固定于专用模具中。随模具一起在1073K下保温30min固溶处理，水淬急冷以得到单相TiNi合金并使高温所记住的形状为圆环形。后在673K下保温10min，后水冷，以改善其阻尼性能。最后对其进行一定训练得到性能稳定的TiNi合金环，以获得稳定的超弹性。采用电阻法测得TiNi合金环的相变温度Af=278K，即室温组织为完全奥氏体态。
1.2 双面TiNi合金环阻尼器结构设计
阻尼器结构如图1所示。耗能元件由两组TiNi合金环组成，其外径为96mm。环的开口端通过压板和基座上的嵌块与基座可靠相连，接触面为曲面，其曲率半径与合金环的半径相同，以增大接触面积。两组TiNi合金环通过压头接连起来，压头通过导杆与基座上的导筒相连，当被控制结构受到振动作用时将带动两组TiNi合金环交替做回复运动，实现对能量的消耗。
1.基座2.挡板3.压头4.压板5.TiNi合金环
改变压头的上下压板的相对位置可对合金环施加一定的纵向预变形，同时保证合金环始终处于受压状态，避免了环压头与合金环脱离对合金环的冲击而影响其使用寿命。挡板由挡板压块固定于基座上，可对环施加横向约束。左右挡板的相对位置可调，通过改变左右挡板的相对位置，可对环施加适当的横向预变形。
该阻尼器结构中，虽然TiNi合金环始终处于受压状态，但由于两组合金环的交替作用，可以承受一维双向应力作用。为区别于文献[8]中的TiNi形状记忆合金环阻尼器，故将该阻尼器命名为双面TiNi合金环阻尼器。
1.3 双面TiNi合金环阻尼器的振动台试验
环阻尼器的振动响应特性在离心式机械振动台上进行，如图2所示。该振动台利用不平衡重块回转时产生的离心力使振动台面输出振动激励。
试验中将加速度传感器分别固定在振动台面(激励端)上和砝码(响应端)上，然后与电荷放大器及振动测试仪相连接，通过振动测试仪测试激励端和响应端的加速度，并采用转速测试仪测定转轮的转速，换算成振动的激振频率。
试验时首先将阻尼器固定在振动台的台面上，然后将砝码固定在阻尼器的上压板上，最后开启振动台，产生激振，并进行从低频到高频的扫描，在扫描时通过转速测试仪测定振动台转轮的转速，并通过振动测试仪测定并记录振动台和砝码的加速度。
1.振动架2.导向杆3.砝码4.环阻尼器5.振动台6.弹簧7.偏心块8.转轮9.加速度传感器10.功率放大器11.振动测试仪
试验温度为293K，合金环处于奥氏体状态。TiNi合金环层数n分别取1、2、3;砝码质量m分别取14kg、24kg;纵向预变形量s取10mm、15mm、18mm。激振频率在0～40Hz之间，振动台的振幅选取1mm。试验过程采用从低频到高频的变频扫描方式，测定响应端和激励端的加速度。
减振效果用传递率TR(transmissibility)来表示，传递率TR是在稳定的受迫振动下，系统的同量纲响应幅值与其激励幅值之比，它可以是力、位移、速度、加速度等，本试验采用的参数为加速度。当TR>1时，系统处于共振放大状态，TR=1时，响应幅值与激励幅值相同，TR<1时，系统处于隔振状态。
2 试验结果与分析
2.1 合金环层数对阻尼器振动响应特性的影响
图3所示为不同加载条件下，合金环层数对传递率曲线的影响。由图3a可见，随着频率的增大，环阻尼器的传递率首先减小，然后增大，随后再减小，最后趋于稳定。随着合金环层数的增加，传递率曲线的共振峰值有所减小，而共振频率则逐渐增大。TiNi合金环的层数为3时，阻尼器的传递率曲线的共振峰值最小，从而具有相对最好的减振效果。分析合金环层数对共振频率的影响，其原因是随着合金环层数的增加，系统的当量刚度Keq增大，共振频率增大。
由图3b可见，随着频率的增大，传递率先减小，然后增大，随后再减小，最后趋于稳定，共振峰值随合金环层数的增大而减小，共振频率随合金环层数的增大而增大，与图3a的趋势相同。不同之处在于，三层环时，阻尼器的传递率曲线的共振峰值比一层、二层环的阻尼器的传递率曲线的共振峰值小得多，并且传递率始终小于1，即振动过程中，始终处于隔振区，阻尼器具有优良的减振效果。
1.n=1 2.n=2 3.n=3
2.2 加载条件对阻尼器振动响应特性的影响
在该振动系统中，砝码作为振动系统的惯性元件，除了会改变振动系统对势能的贮存能力外，还会影响基座工作面上方一组合金环的纵向预变形量(图2)。为了保证基座工作面下的一组合金环始终处于受压状态，在增大砝码质量(即增大基座上面的合金环的预变形量)的同时，需要减小压头上下压板的距离，即增大两组合金环共有的预变形量。
图4是合金环层数分别为1、2、3，不同砝码质量和纵向预变形量下TiNi合金环阻尼器的传递率曲线。由图4a可以看出，曲线3的共振峰值和共振频率都比曲线2的小，即砝码质量相同时，随着纵向预变形量的增大，阻尼器具有更优的减振能力。比较图4b、图4c中传递率曲线1、2可知，随着砝码质量和纵向预变形量的增大，共振峰值和共振频率都减小。
前面提到砝码质量的增大实际上也起着增加一组合金环纵向预变形量的作用，因此在保证合金环不发生断裂和失稳的前提下，增加砝码质量和纵向预变形量可以提高该阻尼器的减振能力。
综上所述，对于奥氏体态双面TiNi合金环阻尼器和砝码组成的振动系统，其传递率曲线的共振峰值随着合金环的层数、砝码质量和纵向预变形量的增大而减小，即增大合金环的层数以及对合金环施加纵向预变形可以提高奥氏体态双面TiNi合金环阻尼器的减振能力。
1.m=14kg,s=10mm 2.m=24kg,s=15mm 3.m=24kg,s=18mm
同时，由图3、图4还可以看出，不管合金环层数或加载条件如何变化，在低频(0～10Hz)时，系统的传递率始终小于1，即系统始终处于隔振状态。由此可见，该合金环阻尼器在低频时具有优良的减振、隔振效果，且其传递率曲线的形状始终近似图5a所示，即传递率随着频率的增大首先逐渐减小，随后逐渐增大，然后再逐渐减小，最后趋于稳定。
显然该传递率曲线的形状与通常的单自由度振动系统的传递率曲线的形状有较大不同(图5b)。如果将图5a中的传递率曲线沿图中点划线分成左右两部分，即看成两条传递率曲线，则两条传递率曲线皆与图5b单自由度振动系统的传递率曲线相似。其中虚线左边部分相当于过阻尼时的传递率曲线，而右边部分相当于欠阻尼时的传递率曲线。
笔者认为，出现上述结果是由于双面TiNi合金环阻尼器的结构因素造成的。在该振动系统中，激振力F(t)=mB0ω2sinωt，其中，B0为激振端位移幅值，ω为激振频率，即激振力幅值与激振频率的平方成正比。在该阻尼器中，由于左右挡板对TiNi合金环的约束作用使得二者之间存在摩擦力作用，当振动频率较低时，激振力幅值较小，因而无法克服挡板对TiNi合金环的摩擦力，使得两组合金环仅靠近压头的一半发生相对运动，从而消耗振动能，而靠近基座的一半保持静止状态，振动过程不发挥作用。这时候阻尼器的刚度和阻尼仅由靠近压头的两组半环决定。
随着振动频率的增大，激振力增大，当激振力能够克服挡板与合金环之间的摩擦力时，靠近基座的半环也开始发生相对运动，从而也能消耗能量，显然这时候阻尼器的刚度和阻尼都发生了变化，因而系统的传递率曲线也相应发生变化。换言之，阻尼器与砝码组成的振动系统的振动响应特性有别于通常的单自由度系统是由于挡板与合金环之间摩擦力作用的结果。
由于挡板与合金环之间摩擦力的作用，系统在低频段的传递率始终小于1，阻尼器具有优良的减振效果，由此推论，如果将挡板与合金环之间完全固定，或者直接将阻尼器中的合金环设计成半环，将具有更优良的减振效果，但此推论尚需要进一步的试验来证实。
3 结论
(1)新型TiNi合金环阻尼器具有较复杂的振动响应特性变化规律，该规律有别于通常的单自由度振动系统。传递率随着频率的增大，首先逐渐减小，随后逐渐增大，然后再逐渐减小，最后趋于稳定。
(2)系统传递率曲线的共振峰值随着合金环的层数、砝码质量和纵向预变形量的增大而减小，即增加合金环层数、对合金环施加纵向预变形可以提高奥氏体态双面TiNi合金环阻尼器的减振能力。
(3)不管合金环层数或加载条件如何变化，在低频(0～10Hz)时，系统的传递率始终小于1，即系统始终处于隔振状态。由此可见，该合金环阻尼器在低频时具有优良的减振、隔振效果。
摘要：应用两组奥氏体态TiNi合金环作为耗能元件设计了一种新型阻尼器。介绍了该阻尼器的结构特点及工作原理,利用振动台试验测试了合金环层数、纵向预变形及载荷对该阻尼器的振动响应特性的影响。研究结果表明,该阻尼器具有较复杂的振动响应变化规律,不同于单自由度系统,在低频段(010Hz),振动过程传递率始终小于1,即始终处于隔振区,表明此时该阻尼器具有优良的减振能力;同时增加合金环层数和纵向预变形可有效改善其减振效果。
关键词：TiNi形状记忆合金,阻尼器,阻尼性能,振动特性
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