雙磁場控制的磁流變減震結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究

周亞東 張恒 張彥 劉雙菊 葛愛迪

摘要：傳統(tǒng)磁流變減隔振器通常由線圈持續(xù)供電，不僅增大耗能，也會減少器件的使用壽命?；诖帕髯兡z（MRG）的剪切工作原理，運用剪切型結(jié)構(gòu)設(shè)計一種新型磁流變凝膠減震裝置，采用永磁體和線圈共同控制磁場大小和方向，通過改變磁流變凝膠的磁化程度實現(xiàn)阻尼力大小的控制。將該裝置安裝在一2層鋼框架結(jié)構(gòu)模型的底層，采用恒定電流控制法開展磁流變減震結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究，分析不同電流下減震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對不同地震波的振動控制效果。試驗結(jié)果表明：該磁流變凝膠減震裝置能夠顯著降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，對于不同的地震波其減震效果有所差異，隨著峰值加速度的增加其減震效果有所下降。

關(guān)鍵詞：磁流變凝膠; 雙磁場; 減震裝置; 永磁體; 地震波

中圖分類號： TB381????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0529-07

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230201002

Shaking table test on a magnetorheological damping

structure controlled by dual magnetic fields

ZHOU Yadong， ZHANG Heng， ZHANG Yan， LIU Shuangju， GE Aidi

（Tianjin Key Laboratory of Building Structure Protection and Reinforcement， Tianjin Chengjian University， Tianjin 300384， China）

Abstract：

Conventional magnetorheological dampers are usually powered continuously by coils， which not only increase energy consumption but also reduce the service life of a device. Based on the shearing principle of magnetorheological gel （MRG）， a novel shearing magnetorheological gel damping device was designed in this paper. The permanent magnets and coils were used to jointly control the magnitude and direction of the device's magnetic field， and the damping force magnitude was controlled by changing the magnetization level of MRG. The device was installed at the bottom floor of a two-story steel frame-structure model， and the shaking table test of the magnetorheological damping structure was carried out using the constant current control method. The control effects of the damping system on different seismic waves under different currents were analyzed. Results show that the MRG damping device can significantly reduce the dynamic response of the structure; the damping effect varies for different seismic waves， and the damping effect decreases with increasing peak acceleration.

Keywords：

magnetorheological gel; dual magnetic fields; damping device; permanent magnet; seismic wave

0 引言

地震災(zāi)害對人類生命及財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅，同時也對建筑結(jié)構(gòu)抵御地震的能力提出了更高要求。磁流變阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力可控及反應(yīng)迅速等優(yōu)點，在半主動減震控制領(lǐng)域備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注［1-6］。經(jīng)過多年的發(fā)展，基于磁流變材料的智能阻尼器研究取得了較大的進(jìn)展。Choi等［7］開發(fā)了一種自供電的磁流變減震裝置，該裝置附著在一個包含定子、永磁體和彈簧的能量收集裝置上，作為能量收集動態(tài)振動吸收器進(jìn)行穩(wěn)定工作。Yazid等［8］對一種新型混合模態(tài)磁流變減震裝置進(jìn)行材料分析，得到該減震裝置在有效區(qū)域的最佳磁場強度設(shè)計。Li等［9］進(jìn)一步提高了基礎(chǔ)隔振器的自適應(yīng)范圍，開發(fā)了一種側(cè)向剛度增加1 630%、高度可調(diào)的基礎(chǔ)隔振器。Ferdaus等［10］考慮各種磁流變減震器的設(shè)計及配置，針對活塞外形、可變的活塞直徑、磁流變液間隙，以及三種不同數(shù)量的線圈級，提出了單管線性磁流變減震裝置的優(yōu)化設(shè)計方案。現(xiàn)有的磁流變減震器大多僅依靠電磁線圈為設(shè)備提供磁場，這樣會帶來較高的熱量和能量消耗問題。

磁流變阻尼器減震控制技術(shù)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。一套完整的磁流變阻尼器減震系統(tǒng)開發(fā)不僅包括控制策略選擇、控制軟件和硬件開發(fā)工作，還包括磁流變液和磁流變阻尼器的優(yōu)化配置，以及控制信號的采集、降噪等工作。對如此復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制效果評判，試驗驗證尤其是振動臺試驗是最有效的方法。Yi等［11］對底層和第2層安裝磁流變阻尼器減震系統(tǒng)的6層框架模型進(jìn)行了振動臺試驗，研究多個磁流變阻尼器共同工作的結(jié)構(gòu)振動控制效果。趙玉亮［12］設(shè)計了考慮Stribeck效應(yīng)的磁流變阻尼器力學(xué)模型，并對安裝該減震系統(tǒng)的3層框架模型進(jìn)行模擬地震振動臺試驗，提出了一種基于位移反饋和地面加速度反饋的PSC策略，試驗結(jié)果表明該磁流變阻尼器減震系統(tǒng)能夠顯著降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

針對上述問題，參考閆維明等［13］設(shè)計的閥式逆變磁流變阻尼器，本文設(shè)計了一種利用電磁線圈和永磁體共同控制磁場的磁流變減震裝置。永磁體的加入為減震裝置提供了一個偏置磁場，當(dāng)電流為0時可以減少能源的消耗［14-15］，同時，可以施加正向或負(fù)向電流來增加或減少磁場，并調(diào)整器件的性能。采用磁流變凝膠（Magnetorheological Gel，簡稱MRG）作為磁流變材料，并將該裝置安裝在一2層鋼框架模型中進(jìn)行振動臺試驗，分析該磁流變減震系統(tǒng)在不同地震波下的控制效果，以期為新型磁流變凝膠減震裝置提供參考。

1 試驗裝置

1.1 磁流變凝膠減震裝置

本試驗所使用的磁流變減震裝置是由課題組自主設(shè)計并加工完成的，如圖1所示。其設(shè)計理念來源

于磁流變材料的剪切工作原理［16］，即運動方向與磁場方向垂直，并結(jié)合磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計而成。圖1（a）為磁流變減震裝置剪切工作模式示意圖，圖中F為力，B為磁通量。圖1（b）為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由剪切部分、磁場部分和外部框架構(gòu)成：剪切部分包括剪切板、剪切槽、滑塊和螺柱，其中剪切板、剪切槽使用不導(dǎo)磁的H59黃銅;磁場部分包括線圈、永磁體和鐵芯，其中，線圈產(chǎn)生的磁場方向和永磁體相反，互相抵消以達(dá)到剛度軟化的效果，兩塊永磁體所產(chǎn)生的磁場強度約650 mT;外部框架使用不導(dǎo)磁的合金材料。將剪切型結(jié)構(gòu)運用到減震裝置上，并結(jié)合電磁線圈及永磁體共同控制磁場強度，在磁場關(guān)閉狀態(tài)下實現(xiàn)較高的阻尼力，在磁場開啟狀態(tài)下實現(xiàn)較低的阻尼力，也可施加反向電流以得到更高的阻尼力，從而擴大減震裝置的動態(tài)作用范圍。圖1（c）為結(jié)構(gòu)施加正向電流時永磁體磁通量方向示意圖。

1.2 磁場分布測試

由于磁流變凝膠在剪切槽內(nèi)沿長度方向均布，位于剪切槽中部區(qū)域的磁感應(yīng)強度最大，位置越靠近端部，磁感應(yīng)強度越低。使用高斯計對剪切槽進(jìn)行磁場強度測試，測點分布如圖2（a）所示。為有效降低測量誤差，保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，重復(fù)進(jìn)行了3次測試試驗，取相應(yīng)的平均值作為該點的磁感應(yīng)強度，測量結(jié)果見圖2（b）。未接入電流時磁場完全由永磁體提供，主要分布在永磁體附近，隨著電流的接入，磁場逐漸相互抵消，且范圍也有所擴大。當(dāng)接入-0.5 A電流時，剪切槽中心處的磁場強度約為800 mT，足夠使磁流變材料完全磁化，滿足實驗所需條件。

1.3 磁路仿真分析

采用ANSYS Electronics軟件對磁流變減震裝置進(jìn)行仿真分析。在Maxwell 3D中建立減震裝置三維模型，如圖3所示。選擇Electromagnetics Suite電磁組件，并在求解類型中選擇Magnetostatics進(jìn)行靜態(tài)磁場分析，部分磁通密度分布如圖4所示。當(dāng)線圈勵磁電流I=0 A時，即在未加載電流的情況下，減震裝置的磁感應(yīng)強度僅由永磁體提供，此時集中穿過磁流變材料工作區(qū)域的磁感線達(dá)94%，漏磁較小。通常在0.8 T左右磁流變材料已達(dá)到磁飽和，在剪切槽中部磁場強度可達(dá)0.72 T，滿足初始設(shè)計對磁場強度的要求。

當(dāng)I=1.5 A時，由于線圈通電而產(chǎn)生反向磁場，使得剪切槽內(nèi)磁流變凝膠分布處的混合磁場強度減弱為0.33 T左右，說明該磁路設(shè)計可行，能夠有效調(diào)節(jié)磁場大小。

2 磁流變材料制備與試驗方案

2.1 MRG制備

采用沉降穩(wěn)定性更好的磁流變凝膠作為減震裝置的磁流變材料。磁流變凝膠制備原材料有：蓖麻油分析純，二苯基甲烷-4，4′-二異氰酸酯，它們是組成交聯(lián)聚合物凝膠的主要原料。磁性顆粒選取球形羰基鐵粉，粒徑3～5 μm。因交聯(lián)聚合物凝膠與羰基鐵粉反應(yīng)較慢，所以還需要催化劑，本文所選催化劑為異辛酸亞錫分析純。為了增加MRG的性能，還需要擴鏈劑（1，4-丁二醇分析純）和增塑劑（鄰苯二甲酸二丁酯分析純）。制備了羰基鐵粉含量60%的樣品，具體制備過程參照文獻(xiàn)［17］。

2.2 試驗方案

為了驗證裝置在模擬地震激勵下的減震效果，在裝備了減震裝置的鋼架模擬地震振動臺上進(jìn)行試驗。將鋼架與減震裝置通過一個L形連接件連接，連接件的一面與1層樓板連接，另一面與減震裝置的連接桿相連，2層框架與減震裝置通過螺栓固定在振動臺上。試驗鋼架參數(shù)為：整體框架采用焊接，樓板與框架之間采用螺栓連接；豎向與水平構(gòu)件采用5×20 mm的Q235鋼板，樓板為5 mm厚的鋼板，框架整體尺寸為長600 mm、寬400 mm、高600 mm。模擬地震試驗所用地震波為真實記錄的Kobe波。通過GM_Tools軟件工具對地震波進(jìn)行調(diào)整，使其峰值加速度分別為200、300和400 gal，以滿足試驗要求。

試驗主要在Servotest公司生產(chǎn)的Mini Mast單軸振動臺上進(jìn)行，臺面尺寸1 m×1 m（邊長），可加載頻率為0～100 Hz，可進(jìn)行常規(guī)地震模擬研究和振動測試。試驗共用到4個位移傳感器、3個IEPE加速度傳感器和1個微型拉壓力傳感器；兩個兆信1005D數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源分別為兩個電磁線圈供電。振動臺試驗如圖5所示。

試驗振動臺由Pulsar軟件系統(tǒng)控制，不僅可以加載正弦波激勵、三角波激勵和方波激勵，其中的迭代控制系統(tǒng)可以很好地模擬多種地震動的波形。通過掃頻白噪聲對地震波進(jìn)行模擬，以達(dá)到更接近原始波的效果。試驗裝置內(nèi)的剪切材料是羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)60%的MRG;試驗時采用恒定電流法控制，電流值分別為-0.6、-0.3、0、0.6和1.2 A。依次施加不同峰值加速度的地震波，每組重復(fù)3次以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 試驗結(jié)果分析

為了討論所提出的磁流變減震系統(tǒng)的振動控制效果，將不同地震激勵下的結(jié)構(gòu)動力時程響應(yīng)進(jìn)行對比。限于篇幅，本文僅給出1層加速度和2層位移時程曲線的對比，而恒定電流控制效果僅用-0.6 A、0.6 A和未加載裝置對比，分析裝置在不同電流下對不同地震波的控制效果，以及不同地震波峰值加速度的控制效果。本文所提到的控制效果皆是指峰值的控制率，即未加載減震裝置的峰值為單位1，其中UC、I=-0.6 A、I=0.6 A分別代表未控結(jié)構(gòu)、-0.6 A的恒定電流和0.6 A的恒定電流控制。

3.1 結(jié)構(gòu)動力特性

使用白噪聲對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行掃頻分析，分析當(dāng)I=0 A時裝置體系的加速度時程，對其進(jìn)行快速傅里葉變換，計算得出自振頻率和自振周期，結(jié)果如表1所列。觀察發(fā)現(xiàn)在位移和加速度兩種控制方式下，鋼架-減震裝置的自振周期分別是未控結(jié)構(gòu)的1.464倍和1.347倍。調(diào)整結(jié)構(gòu)體系類型能夠有效降低自振頻率，延長自振周期。

3.2 Kobe波激勵下結(jié)構(gòu)加速度時程分析

圖6繪制了在200、300 gal的Kobe波激勵下結(jié)構(gòu)1層加速度控制效果對比。根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù)，當(dāng)加速度峰值為200 gal時，結(jié)構(gòu)自身最大加速度為-3.429 9 mm/s2；恒定電流為-0.6 A時，裝置第1層最大加速度為-2.160 7 mm/s2，裝置對加速度的控制效率為62.99%;當(dāng)電流為0.6 A時，結(jié)構(gòu)第1層最大加速度為-2.948 8 mm/s2，控制效果為85.97%。當(dāng)加速度峰值為300 gal時，加載電流-0.6 A和0.6 A對結(jié)構(gòu)加速度峰值的控制率分別為65.36%和97.85%。

3.3 Kobe波激勵下結(jié)構(gòu)位移時程分析

圖7繪制了在200、300 gal的Kobe波激勵下結(jié)構(gòu)第2層位移時程曲線。由圖可知，加速度峰值為200 gal時，無減震裝置結(jié)構(gòu)的最大位移為5.118 7 mm;安裝減震裝置后，當(dāng)恒定電流為-0.6 A時，結(jié)構(gòu)最大位移為2.547 9 mm，控制率為49.77%；電流為0.6 A時，結(jié)構(gòu)的最大位移為3.243 8 mm，控制率為63.37%。同理，加速度峰值為300 gal時，當(dāng)恒定電流為-0.6 A和0.6 A時，減震裝置對結(jié)構(gòu)最大位移的控制率分別為50.27%和83.41%;將加速度峰值調(diào)整到最大時，其對位移的控制效果分別為55.34%和84.35%。由圖6、7可知，隨著加速度峰值的增加，磁流變減震裝置的控制效果逐漸減小，且減震裝置對峰值加速度的控制效果弱于對位移的控制效果。

3.4 結(jié)構(gòu)峰值控制效果分析

為了分析本文設(shè)計開發(fā)的磁流變減震系統(tǒng)的振動控制效果，首先對結(jié)構(gòu)在不同控制方式下的峰值響應(yīng)進(jìn)行分析，并將歸一化后的結(jié)構(gòu)位移和加速度峰值響應(yīng)列于表2。表中所列的是200 gal的Kobe波激勵下結(jié)構(gòu)的控制效果。從表中可以看出，裝置對結(jié)構(gòu)的位移控制率為53.0%～9.63%，對加速度的控制效果為26.11%～7.75%;磁流變材料磁化程度越高，裝置對結(jié)構(gòu)的控制效果越好。對試驗結(jié)果的分析表明本文所提裝置的減震效果較好。

3.5 減震裝置的力-位移曲線分析

為了分析不同電流下裝置對結(jié)構(gòu)的控制效果，對其在不同電流下的實際出力進(jìn)行分析，以下主要對Kobe波進(jìn)行分析。圖8給出了在加速度峰值200 gal的Kobe波下，恒定電流分別為-0.6 A和0.6 A時減震裝置的力-位移曲線。此處的位移是裝置剪切處的位移，力則是力傳感器的實測數(shù)據(jù)。

如圖8所示，減震裝置在恒定電流控制下的力-位移圖形狀大致相同。隨著地震波峰值加速度的增加，減震裝置的出力范圍和位移增加，力-位移曲線面積增大，相應(yīng)的耗能能力增大，對位移的控制量也在增大。同樣可以看出，-0.6 A時減震裝置的出力范圍比0.6 A時大，控制效果更好。這是因為隨著電流的變化，剪切槽內(nèi)磁流變凝膠的磁化程度也在變化，一般來說磁化程度越大，磁流變效應(yīng)越大，即剪切力越大，減震效果越好。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于雙磁場控制的磁流變減震裝置，并將其安裝在一2層鋼框架結(jié)構(gòu)模型中，通過振動臺試驗分析，得出以下結(jié)論：

（1） 該磁流變減震裝置對于地震波激勵有很好的控制效果。隨著磁流變材料磁化程度的增加，控制效果提升，隨著地震波峰值加速度的增加，控制效果也在增加。對于不同的地震波，裝置的控制效果有所不同。

（2） 隨著電流的增加，磁流變減震裝置的出力范圍減小。加載負(fù)向電流時，MRG的磁化程度最大，減震效果最好。裝置的出力范圍越大，耗能能力越強，對結(jié)構(gòu)的控制效果越好。

（3） 本文采用恒定電流控制法，所以無法達(dá)到最佳的控制效果，下一步需在控制算法等方面繼續(xù)改進(jìn)，以達(dá)到更好的地震控制作用。

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（本文編輯：趙乘程）

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51608351）;天津市自然科學(xué)基金項目（18JCZDJC10010，18JCYBJC22600）

第一作者簡介：周亞東（1985-），男，博士，副教授，主要從事智能材料與智能結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：zyd476300@126.com。

通信作者：劉雙菊（1979-），女，博士，講師，主要從事地震工程方面的研究。E-mail：40838519@qq.com。

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