并联常通孔式磁流变阻尼器及其零场、有场阻尼力系数和阻尼力的求取方法
【专利摘要】本发明公开了一种并联常通孔式磁流变阻尼器以及其零场、有场阻尼力系数和阻尼力的求取方法。磁流变阻尼器包括缸体，缸体内滑动设有活塞，活塞一端设有活塞杆，活塞杆从缸体一端开口伸出，活塞包括铁芯，铁芯侧壁上凹设有至少一环形线槽，各环形线槽缠绕有励磁线圈，励磁线圈外部套设有隔磁保护环，隔磁保护环两侧、铁芯侧壁上套设有导磁保护环，隔磁保护环和导磁保护环与缸体的内壁间存在缝隙而形成环形阻尼通道，沿轴向方向，铁芯上开设有至少一常通孔。本发明磁流变阻尼器在结构振动的半主动控制中，只需依据开关控制策略，在零电流与最大电流值之间切换即可实现阻尼力的控制，避免了复杂逆向力学模型的建立及求解，控制过程简单、实用。
【专利说明】并联常通孔式磁流变阻尼器及其零场、有场阻尼力系数和 阻尼力的求取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有并联的常通孔的磁流变阻尼器，以及对其零场阻尼系数、有 场阻尼系数和阻尼力的求取方法，属于结构磁流变振动半主动控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 磁流变液是一种对磁场敏感的智能材料，随着外部磁场的加载或撤出，磁流变液 在非牛顿流体与牛顿流体之间转化，这种转换是可逆的、连续的。磁流变液的剪切屈服强度 大、响应快，以其为基础的磁流变阻尼器是理想的变阻尼器件，广泛应用于车辆工程、武器 系统、土木工程、航天航空等领域的结构振动半主动控制。
[0003] 目前已有的磁流变阻尼器的特点是，感应通道和非感应通道是串联关系，一旦感 应通道中有磁场通过时，磁流变液发生流变效应，由流动性较好的牛顿流体转变为具有较 强剪切屈服强度的非牛顿流体，整个感应通道被发生流变效应的磁流变液完全堵塞，只有 当活塞两端的压强差足够大，磁流变液屈服后才可以流动。
[0004] 从实际使用中可以看出，已有的磁流变阻尼器的结构会给其自身带来如下问题与 缺陷：
[0005] 1)逆向力学模型复杂。为了实现对磁流变阻尼器阻尼力的控制，通过获取磁流变 阻尼器的各种动力学参数，如位移、速度、加速度等，在这些动力学参数的基础上，建立控制 电压/电流与阻尼力之间的关系，即建立逆向力学模型（也称为控制模型）。而面对已构建 好的逆向力学模型，通过对所设计的磁流变阻尼器在一定频率的激励下进行多次实验，基 于逆向力学模型对磁流变阻尼器的输入（如电压、电流）与输出（如阻尼力-位移图、阻尼 力-速度图）进行拟合，便可得到该磁流变阻尼器的各种动力学参数。
[0006] 目前，为了更精确地描述磁流变阻尼器存在的非线性滞回等特性，各种逆向力学 模型不断提出并改进，但所建立的逆向力学模型都非常复杂，各项参数可达十几个，极其不 便于数值处理，且需要更多的传感器来获得状态参数，因此难以在实际中得到有效的应用， 况且磁流变阻尼器的输出特性还受激振频率、工作温度、使用时长等诸多因素的影响，而已 有的逆向力学模型尚未考虑这些因素，且没有在线升级能力，因此通过已有的逆向力学模 型对磁流变阻尼器进行精确控制是难以实现的。
[0007] 2)控制过程复杂。磁流变阻尼器在应用中的控制过程可用图1来表示。如图1， 获取被控对象的状态输出，经一定的控制策略计算出期望的阻尼力，然后通过磁流变阻尼 器的逆向力学模型计算出所需要加载的电流/电压，达到控制磁流变阻尼器输出的阻尼力 的目的。虽然控制策略的设计过程可能较为复杂，但其执行时的计算往往是非常简单的，仅 仅是将某些状态输出乘以相应系数或通过简单的逻辑判断即可得到期望的阻尼力。然而， 由于逆向力学模型由强非线性方程构成，参数过多，因而会带来三方面的问题：一是计算量 大，依据状态输出和期望的阻尼力，求得电流/电压非常困难和耗时，会导致复杂的程序设 计和控制滞后，使得逆向力学模型求解成为整个控制回路的瓶颈；二是逆向力学模型的求 解需要额外增加传感器，一些控制策略本身所需要的传感器可能较少，但为了满足逆向力 学模型的参数输入而需要增加传感器，带来了成本增加及系统可靠性方面的问题；三是将 简单的控制策略的执行过程变得复杂化，一些开关控制策略只需在最大阻尼力系数与最小 阻尼力系数之间进行切换即可，但若采用磁流变阻尼器作为阻尼调节机构，当依据控制策 略切换至最大阻尼力系数时，则需要根据结构的振动状态来计算期望的阻尼力，然后经复 杂的逆向力学模型计算电流/电压，以实施对阻尼力的控制，执行过程十分复杂。
[0008] 3)引起"颤振"。已有的磁流变阻尼器在活塞速度较低时，若将电流/电压加载到 最大值，则瞬间的阻尼力增大会使等效阻尼力系数趋于无穷大。这就意味着采用开关控制 策略时，若不按照图1所示过程实施控制，则当需要切换至最大阻尼力系数时直接加载最 大电流/电压，虽然可以避开复杂的逆向力学模型求解过程，但磁流变阻尼器的结构瞬间 "硬化"会带来较大的冲击，从而引起"颤振"。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是克服现有的磁流变阻尼器存在的逆向力学模型和控制过程复杂， 难以应用于工程实际的问题，提出一种并联常通孔式磁流变阻尼器，具有并联的常通孔的 该磁流变阻尼器在通入的电流为零时，磁流变液从常通孔和环形阻尼通道流过，实现了最 小阻尼力，对应着零场阻尼力系数，在通入的电流加载至最大值时，环形阻尼通道被发生流 变效应的磁流变液堵塞而充当限压阀的作用，在磁流变液屈服前，磁流变液仅从常通孔流 过，实现了最大阻尼力，对应着有场阻尼力系数，因此，该磁流变阻尼器只需依据开关控制 策略，在零电流与最大电流值两者之间切换，即可避免建立复杂的逆向力学模型及对模型 的求解，极大简化了控制过程。
[0010] 本发明的另一目的是基于并联常通孔式磁流变阻尼器，提出一种对其零场阻尼力 系数、有场阻尼力系数、阻尼力进行快速、准确的求取方法。
[0011] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0012] 一种并联常通孔式磁流变阻尼器，其特征在于：它包括缸体，该缸体内滑动设有活 塞，该活塞的一端固接有活塞杆，该活塞杆从该缸体一端开口中伸出，其中：该活塞包括铁 芯，该铁芯的侧壁上凹设有至少一圈环形线槽，各该环形线槽内缠绕有励磁线圈，该励磁线 圈的外部套设有隔磁保护环，在该隔磁保护环的两侧、该铁芯的侧壁上套设有导磁保护环， 该隔磁保护环和该导磁保护环与该缸体的内壁之间存在缝隙，该缝隙形成环形阻尼通道， 沿轴向方向，该铁芯上开设有至少一个常通孔。
[0013] 在实际制作中，所述铁芯、所述导磁保护环、所述缸体为碳钢或电工纯铁材料制 成，所述隔磁保护环为铜或铝合金材料制成。
[0014] 一种所述的磁流变阻尼器的零场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它包括如下 步骤：
[0015] 步骤1 :经由公式
【权利要求】
1. 一种并联常通孔式磁流变阻尼器，其特征在于：它包括缸体，该缸体内滑动设有活 塞，该活塞的一端固接有活塞杆，该活塞杆从该缸体一端开口中伸出，其中：该活塞包括铁 芯，该铁芯的侧壁上凹设有至少一圈环形线槽，各该环形线槽内缠绕有励磁线圈，该励磁线 圈的外部套设有隔磁保护环，在该隔磁保护环的两侧、该铁芯的侧壁上套设有导磁保护环， 该隔磁保护环和该导磁保护环与该缸体的内壁之间存在缝隙，该缝隙形成环形阻尼通道， 沿轴向方向，该铁芯上开设有至少一个常通孔。
2. 如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于： 所述活塞上安装有活塞导向。
3. 如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于： 当开设多个所述常通孔时，该多个所述常通孔在所述铁芯上以中心轴均匀分布。
4. 如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于： 当所述铁芯上设有两个或两个以上的所述环形线槽时，各所述环形线槽内缠绕的所述 励磁线圈之间为并联反串连接。
5. 如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于： 所述环形阻尼通道构成的缝隙在〇. 5毫米-2毫米之间。
6. 如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于： 所述隔磁保护环的轴向长度约为5毫米。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的磁流变阻尼器，其特征在于： 所述铁芯、所述导磁保护环、所述缸体为碳钢或电工纯铁材料制成，所述隔磁保护环为 铜或错合金材料制成。
8. -种权利要求1所述的磁流变阻尼器的零场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它 包括如下步骤： 步骤1 :经由公式 求得所述磁流变阻尼器活塞上下两端的最小压差系数 cmin，其中，Q为第一压差系数，c2为第二压差系数，
| η为磁流变 液的零场粘度，L。为所述常通孔的高度，d。为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数， Lg为所述环形阻尼通道的总高度，Rm为所述环形阻尼通道的中径，h为所述环形阻尼通道的 览度； 步骤2 :经由公式C/+ =Cmin<求得零场阻尼力系数C1+，其中，\为所述活塞的端面有效 面积。
9. 一种权利要求1所述的磁流变阻尼器的有场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它 包括如下步骤： 步骤1 :经由公式Cmax = Q求得所述磁流变阻尼器活塞上下两端的最大压差系数Cmax， 其中，Q为第一压差系数，
，Π为磁流变液的零场粘度，L。为所述常通孔的高 度，d。为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数； 步骤2 :经由公式= Cimx<求得有场阻尼力系数Cl_，其中，Ap为所述活塞的端面有效 面积。
10. -种权利要求1所述的磁流变阻尼器的阻尼力求取方法，其特征在于，它包括如下 步骤： 若所述励磁线圈不通入电流，则阻尼力Fd经由公式Fd = C1+ · vd求得； 若所述励磁线圈通入最大电流值，则阻尼力Fd经由公式 求得；
其中： vd为所述活塞的相对速度， C1+为零场阻尼力系数，
为有场阻尼力系数，= ， Fdl为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的临界阻尼力，Fdl = ΔΡχΑρ · ^/(Q+Q, ΛΡΧ为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的临界压差，
vd(l为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的活塞临界速度，vd(l = Q7 Ap，(?为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服时，等效流经η个所述常通孔 的磁流变液流量：
Αρ为所述活塞的端面有效面积，Q为第一压差系数，C2为第二压差系数，
n为磁流变液的零场粘度，L。为所述常通孔的高度，d。为所述 常通孔的孔径，η为所述常通孔的总个数，Lg为所述环形阻尼通道的总高度，Rm为所述环形 阻尼通道的中径，h为所述环形阻尼通道的宽度，τ y为磁流变液在磁场强度下的屈服强度， I*为所述环形阻尼通道的有效长度。
【文档编号】F16F9/32GK104100671SQ201410317834
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】彭志召, 张进秋, 刘义乐, 毕占东, 刘峻岩, 贾进峰, 黄一斌, 张咏清, 张建, 岳杰, 张磊, 黄大山 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院