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磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 73 考虑刚度软化的磁流变减震装置设计与动态剪切性能试验研究张恒 1，周亚东 1，付小嫚 1，李见春 2，李延成 2(1.天津城建大学 天津市建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384；2.悉尼科技大学 土木工程学院，悉尼 NSW2007)摘要：基于磁流变胶的剪切工作原理，将剪切型结构运用到阻尼器上，设计一种新型剪切式磁流变胶减震装置。并利用永磁体及线圈共同控制磁场强度，通电后线圈产生与永磁体相反的磁通，磁流变胶中的磁通密度得以改变，从而调节磁流变胶的等效刚度，实现阻尼力大小的变化。利用Ansys Electronics电磁软件对该磁流变胶减震装置的磁场分布进行仿真分析。采用单轴振动台对该新型磁流变胶减震装置进行了典型动态性能试验测试。结果表明：磁流变胶刚度随励磁线圈电流增强而降低，实现磁流变胶材料的刚度软化特性；激振频率、电流强度、羰基铁粉质量分数、剪切位移对磁流变胶等效刚度及等效阻尼具有显著影响。关键词：磁流变胶减震装置；刚度软化；动态剪切；永磁体；等效刚度；等效阻尼中图分类号：TB535+.1文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)02-0073-07DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.013著录格式：张恒,周亚东,付小嫚,等.考虑刚度软化的磁流变减震装置设计与动态剪切性能试验研究J.磁性材料 及 器 件,2023,54(2):73-79./ZHANG Heng,ZHOU Ya-dong,FU Xiao-man,et al.Design of magnetorheological damping device considering stiffness softening and experimental study on dynamic shear performance J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):73-79.Design of magnetorheological damping device considering stiffness softening and experimental study on dynamic shear performanceZHANG Heng1,ZHOU Ya-dong1,FU Xiao-man1,LI Jian-chun2,LI Yan-cheng21.Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.University of Technology Sydney,Sydney NSW2007,AustraliaAbstract:Based on the shear working principle of magnetorheological glue,the shear structure is applied to the damper,and a new shear magnetorheological glue damping device is designed.The permanent magnet and the coil are used to jointly control the magnetic field strength.After being energized,the coil generates the magnetic flux opposite to the permanent magnet,and the magnetic flux density in the magnetorheological glue can be changed,so as to adjust the equivalent stiffness of the magnetorheological glue and realize the change of damping force.The magnetic field distribution of the magnetorheological rubber damping device is simulated and analyzed by using ANSYS electronics electromagnetic software.The typical dynamic performance test of the new magnetorheological rubber damping device was carried out on a uniaxial shaking table.By analyzing and processing the test results,the results show that the stiffness of magnetorheological glue decrease with the increase of excitation coil current,and the stiffness softening characteristics of magnetorheological glue material are realized.And excitation frequency,current intensity,mass fraction of carbonyl iron powder and shear displacement have significant effects on the effective stiffness and equivalent damping of magnetorheological glue.Key words:magnetorheological glue damping device;stiffness softening;dynamic shear;permanent magnet;equivalent stiffness;equivalent damping1 引言磁流变减震装置是一种性能较好的半主动智能控制装置，具有结构简单、能耗低、阻尼力可控及反应迅速等优点1-5。近年来，基于磁流变材料的智收稿日期：2022-03-15 修回日期：2022-04-06基金项目：国家自然科学基金项目(51608351);天津市自然科学基金项目(18JCZDJC10010;18JCYBJC22600)通讯作者：周亚东，博士，副教授，智能材料与智能结构、智能隔振 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 74 能减震装置研究取得了较大的进展。Bai等6研究了一种基于内旁路磁流变减震装置的单自由度半主动振动控制系统，其设计目的是提供大的动态范围和阻尼力范围。Yazid等7对一种新型混合模态磁流变减震装置进行了材料分析，得到减震装置在有效区域的最佳磁场强度设计。Choi和Wereley8开发了一种自供电的磁流变减震装置，该减震装置附着在一个包含定子、永磁体和弹簧的能量收集装置上，该装置能作为能量收集动态振动吸收器进行稳定工作。Ferdaus等9考虑了各种磁流变减震装置的设计及配置，针对活塞外形、可变的活塞直径、磁流变液间隙和三种不同数量的线圈级，提出了单管线性磁流变减震装置的优化设计方案。Yan等10在传统磁流变减震装置中集成位移传感器，开发出一种自控式磁流变减震装置。现有磁流变减震装置大多通过励磁线圈产生的单一磁场调控阻尼力及刚度，线圈需维持较高的电流，对磁流变减震装置的寿命、能耗等具有不利影响。本文利用永磁体及线圈共同控制磁场强度，基于励磁线圈对永磁体的反向消磁及磁场叠加11，设计了一种新型磁流变胶减震装置，实现磁流变材料等效刚度和阻尼力的增减调控。通过 ANSYS Electronics模拟计算出该装置在不同电流强度下的磁场分布及强度大小。同时选用磁流变胶(MRG)作为磁流变材料，克服了磁流变液易沉淀等缺点，也保留了磁流变液反应迅速的优点。制备了不同质量分数羰基铁粉(CIP)的MRG，研究激振频率、电流强度、CIP质量分数、剪切位移对该新型磁流变胶减震装置动态剪切性能的影响，为考虑刚度软化的新型磁流变胶减震装置提供设计参数。2 减震装置设计2.1 结构设计利用磁流变材料的剪切工作原理12-14，图1为磁流变减震装置剪切工作模式示意图，将剪切型结构运用到减震装置上，并结合电磁及永磁体共同控制电磁场，在电磁场关闭状态下实现较高的阻尼力，在电磁场开启状态下实现较低的阻尼力，从而扩大减震装置的动态范围。该新型磁流变减震装置如图2所示。磁场控制部分包括励磁线圈、铁芯及永磁体。通过改变线圈中电流的大小及方向来控制混合磁场的大小，从而调节磁流变材料的磁化程度，以实现磁流变减震装置的阻尼调控。线圈尺寸为132 mm132 mm70 mm。铁芯用于传导磁通并形成完整闭合磁路，同时使磁感线集中通过磁流变胶的工作区域，提高磁场的利用率。铁芯截面35 mm35 mm；永磁体内嵌于铁芯端部，产生约0.8 T的恒定磁场，能够使磁流变胶达到磁饱和状态。永磁体尺寸30 mm40 mm7 mm。剪切部分包含剪切槽及剪切片。剪切槽装载磁流变胶材料，剪切槽尺寸134 mm46 mm6 mm；剪切片的平衡位置在剪切槽正中，通过相对于剪切槽内壁轴向移动，直接剪切磁流变胶，从而产生阻尼力。剪切片为厚度2 mm、上边长50 mm、下边长 90 mm、高 70 mm 的梯形金属黄铜，梯形可有效增加剪切面积，从而增大阻尼力。在设图1 磁流变减震装置剪切工作模式图2 磁流变减震装置结构张恒等：考虑刚度软化的磁流变减震装置设计与动态剪切性能试验研究 75 计中，剪切片与剪切槽内壁之间为2 mm的阻尼间隙。试验连接件部分包含底座、双头螺柱、滑块等，主要用于减震装置与试验设备之间的连接。底座上预留有减震装置与振动台台面的安装孔；双头螺柱用于保证滑块处于居中位置且能够自由滑动；滑块与剪切板相连，且预留与力传感器连接的接口。磁导率高的材料可以有效减少漏磁13，本文选用低碳钢作为磁路结构的导磁材料。剪切槽和剪切片选取不导磁的H59黄铜，永磁体选用N40钕铁硼磁体，其产生的恒定磁场强度约为0.8 T，线圈的支架选用环氧树胶材料，导线使用0.62 mm规格的铜导线。底座、连接件、支撑采用非导磁材料的铝合金。2.2 磁路仿真分析采用ANSYS Electronics软件对磁流变减震装置进行仿真分析。在Maxwell 3D中建立减震装置三维模型，如图3所示。选择Electromagnetics Suite电磁组件，并在求解类型中选择Magnetostatics进行静态磁场分析。线圈未加载和加载1.6 A电流对应的磁通密度分布如图4所示。当线圈励磁电流I=0 A(图3a)，即在不加载反向电流的情况下，仅由永磁体提供的恒定磁场磁感应强度。分布均匀且集中穿过磁流变材料工作区域的磁感线约达94%，漏磁较小。通常在0.8 T左右磁流变材料已达到磁饱和，此时可实现最大阻尼力为102.47 N。在剪切槽中部磁场强度可达到0.82 T，可满足初始设计对磁场强度的要求。当线圈通I=1.6 A(图4b)的电流时，由于线圈通电而产生反向磁场，使得剪切槽内磁流变胶分布处的混合磁场强度减弱为0.43 T左右，说明该磁路设计可行，能够有效调节磁场大小。3 磁流变材料制备与试验方案3.1 MRG制备采用沉降稳定性磁性粒子为球形羰基铁粉(CIP)：粒径35 m。本试验制备了不同质量分数(w=50%、60%、70%)的羰基铁粉MRG，以便在不同试验条件下进行对比分析。首先将氢氧化铁凝胶倒入烧杯初步缓慢搅拌均匀，50 水浴加热10 min，然后将恒温水浴锅加热至80，加入羰基铁粉再以600 r/min搅拌1 h，使 图3 磁流变减震装置仿真(a)模型及(b)网格划分图4 对应不同励磁电流的磁通密度分布云图：(a)I=0 A,(b)I=1.6 A磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 76 羰基铁粉充分分散在凝胶基质中。然后将混合物在超声波清洗机中处理 15 min，去除混合物中的气泡，最后将混合物放入80 真空干燥箱中1 h再次去除气泡。深度硫化后即可得到磁流变胶材料。3.2 试验方案本试验在 Servotest 公司生产的 MINI MAST 振动台上开展。台面尺寸为1 m1 m，频率为0100 Hz，可进行常规地震模拟研究和振动测试。位移传感器选用线性可变位移传感器(LVDT)，其线性量程为0100 mm，灵敏度0.2 mV/mm。压力传感器选用Flintec生产的微型压力传感器，其量程为0100磅，灵敏度为 1.6607 mV/V。试验外接两个兆信1005D数显直流稳压电源分别为两个电磁线圈供电，该直流电源输入电压为 220 V，输出电压0100 V连续可调，输出电流05 A连续可调，其中电压分辨率 0.1 V，电流 0.05 A。试验装置布置图如图 5所示。试验选取固定幅值的正弦激励测试不同工况下MRG的剪切性能。试验中，磁流变减震装置的加载幅值为 3、5、10 mm，加载频率在 0.5、1、2、3 Hz，励磁电流以0.8 A的步长自0 A至2.4 A逐级增大，采样频率为200 Hz。为了降低试验机启动期间由于机器运行不稳定对测试数据造成的不利影响，每种工况循环加载10个循环。4 结果与分析刚度和阻尼是评价减振效果的重要参数，MRG的等效刚度15-16可表示为：Keff=Fdmax-FdminXmax-Xmin(1)式中，Xmax与Xmin分别为剪切应变的最大值与最小值，Fd max和 Fd min分别为剪切应变最大和最小处的力。MRG 的能量耗散特性可通过等效阻尼(Ceq)表示15：Ceq=EDC22fX2max(2)式中，EDC表示MRG的能量耗散大小即力-位移曲线的面积，f 为剪切频率，Xmax为剪切应变的最大值。4.1 激振频率的影响在电流I=1.6 A、CIP质量分数w=60%、剪切位移=5 mm情况下，加载控制频率分别为0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、3 Hz所产生的力-位移曲线及等效刚度和等效阻尼随激振频率的变化如图6所示。从图6a中可以看出，在铁磁粒子电流强度、质量分数、剪切位移相同的情况下，MRG阻尼力-位移滞回环的斜率、滞回环面积均随激振频率的增高而增大。其中f=0.5 Hz时阻尼力最小，为34.21 N；f=3 Hz时阻尼力最大，为58.37 N，阻尼可调范围为24.16 N。从图6b中可以看出，MRG等效刚度随激振频率的增高由2.76 kN/m增大到6.20 kN/m，增大了55.43%。且频率达到2 Hz后，频率对MRG的等效刚度影响减小，主要原因是 MRG 为典型的粘弹性材料。MRG的等效阻尼随加载频率的增大由2.27 kNs/m减小到0.52 kNs/m，减小了71.23%。随着频率的增高，频率对MRG的等效刚度和等效阻尼的影响都有所减小。4.2 电流的影响通过改变线圈电流强度，使线圈产生的磁场与永磁体磁场方向相反而抵消的方式改变磁场强度的大小。试验选取了不同的电流强度来验证其对磁流变材料剪切性能的影响。试验条件为激振频率f=1 Hz、CIP质量分数w=60%、剪切位移=5 mm。试验机从平衡位置处开始剪切，共10个周期。外加电流强度分别为0 A、0.8 A、1.6 A、2.4 A。试验结果如图7所示。从图7a中可知，随着电流的增大，滞回环的斜率减小，其中I=2.4 A时阻尼力最小，为 55.23 N；I=0.8 A 时阻尼力最大，为48.76 N，阻尼可调范围为 6.47 N。从 7b 中可知，MRG等效阻尼在00.8 A减小，之后开始上升。说明在此过程磁场强度有抵消为零的过程。等效刚度图5 试验装置布置图张恒等：考虑刚度软化的磁流变减震装置设计与动态剪切性能试验研究 77 随电流的增大先下降后上升。加载电流I=01.6 A等效刚度从 3.31 kN/m 降到 2.35 kN/m，减小了29.00%；加载电流从 1.6 A 到 2.4 A，等效刚度从2.35 kN/m增大到2.68 kN/m，增大了12.31%。4.3 CIP质量分数的影响MRG的磁致剪切特性主要来自于其内部的羰基铁粒子，对不同CIP含量的MRG材料进行了测试。试验条件为激振频率 f=1 Hz、电流强度 I=1.6 A、剪切位移=5 mm，试验机从平衡位置处开始剪切，试验结果如图8所示。由图8a可知，在激振频率、电流强度、剪切位移相同的情况下，MRG的力-位移环的斜率随着CIP质量分数的增大而增大，滞回环面积也更大，耗能能力增高。CIP 质量分数分别为 w=50%、60%、70%，其中 w=50%时阻尼力最小，为 44.63 N；70%时阻尼力最大，为 58.85 N。阻尼可调范围14.22 N。由图 8b 可知，随 CIP 质量分数的增大，MRG的刚度由1.584 kN/m增大到2.752 kN/m，增幅为42.44%；MRG的等效阻尼由1.360 kNs/m增大到1.939kNs/m，增大了29.86%。随着CIP质量分数的增大，MRG的导电性、等效刚度和等效阻尼均增大。4.4 振幅的影响试验机可以设置产生不同振幅的振动和波形，试验选取了固定频率的正弦激励来验证剪切位移对MRG剪切性能的影响。试验条件为激振频率f=1 Hz、电流强度I=1.6 A、CIP质量分数w=60%，剪切位移=3 mm、5 mm、10 mm，试验机从平衡位置处开始剪切，共 10 个周期。试验结果如图 9所示。由图9a可知，MRG滞回环的斜率随剪切位移的增大而减小，滞回环的面积随剪切位移的增大而增大。其中=3 mm 时阻尼力最小，大小为 35.34 N；=10 mm时，阻尼力最大，为55.96 N，阻尼可调范围是20.61 N。由图9b可知，MRG的等效刚度随剪切位移的增大而减小，由 6.23 kN/m 减小到-505-60-3003060(a)力/N位移/mmf=0.5 Hzf=1 Hzf=2 Hzf=3 Hz 012323456 等效刚度 等效阻尼激振频率/Hz等效刚度/kN m1(b)0123等效阻尼/kN s m1 图6 激振频率对剪切性能的影响(I=1.6 A，w=60%，=5 mm)：(a)力-位移曲线，(b)等效刚度及阻尼变化-505-50050力/N位移/mm I=0 A I=0.8 A I=1.6 A I=2.4 A(a)01232.53.03.54.0 等效刚度 等效阻尼 电流/A等效刚度/kNm-11.21.62.02.4等效阻尼/kNsm-1(b)图7 激励电流对剪切性能的影响(f=1 Hz，w=60%，=5 mm)：(a)力-位移曲线，(b)等效刚度及阻尼变化磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 78 2.086 kN/m，减小66.6%。主要是由于在剪切位移较大的情况下，MRG内部粒子间距变大，导致其模量减小，故刚度也随之减小。等效阻尼也随剪切位移的增大而减小，由 2.07 kNs/m 减小为 0.963 kNs/m，减小了53.5%。4 结论(1)该新型磁流变减震装置可实现MRG刚度软化，能实现等效刚度和阻尼的连续调节。(2)等效刚度随激振频率的增高而增大，随着电流的增大而减小，随着CIP质量分数的增大而增大，随振幅的增大而减小。(3)等效阻尼随激励频率的增高而减小，随电流的变化不大，随CIP质量分数增大而增大，随振幅的增大而减小。(4)该减震装置的在正弦激励下，剪切力、等效刚度、等效阻尼都有明显的改变，可为以后的改进升级提供参考。参考文献：1Gong Q C,Wu J K,Gong X L,et al.Smart polyurethane foam with magnetic field controlled modulus and anisotropic compression property J.RSC Advances,2013,3(10):3241-3248.2周云,谭平.磁流变阻尼控制理论与技术M.北京:科学出版社,2007.3廖国江.磁流变弹性体的力学性能及其在振动控制中的应用D.合肥:中国科学技术大学,2014.4Dutta S,Chakraborty G.Performance analysis of nonlinearvibration isolator with magneto-rheological damper J.J Sound Vib,2014,333(20):5097-5114.5Uz M E,Hadi N S.Optimal design of semi-active control of adjacent buildings connected by MR damper based onintegrated fuzzy logic and multi-objective geneticalgorithm J.Eng Struct,2014,69:135-148.6Bai X X,Wereley N M,Hu W.Maximizing semi-active vibration isolation utilizing a magnetorheological damper with an inner bypass configuration J.J Appl Phys,2015,-505-60-40-200204060力/N位移/mm(a)w=50%w=60%w=70%5060701.52.02.53.0 等效刚度 等效阻尼w/%等效刚度/kNm1(b)1.41.61.82.0等效阻尼/kNsm1 图8 CIP质量分数对剪切性能的影响(f=1 Hz，I=1.6 A，=5 mm)：(a)力-位移曲线，(b)等效刚度及阻尼变化-10-50510-80-60-40-200204060力/mm位移/mmD=3 mmD=5 mmD=10 mm(a)246810246等效刚度等效阻尼振幅/mm等效刚度/kNm-1(b)1.01.52.0等效阻尼/kNsm-1 图9 振幅对剪切性能的影响(f=1 Hz，I=1.6 A，w=50%)：(a)力-位移曲线，(b)等效刚度及阻尼变化张恒等：考虑刚度软化的磁流变减震装置设计与动态剪切性能试验研究 79 117:17C711.7Izyan I M Y,SA M,T K,et al.Magnetic circuit optimization in designing magnetorheological damper J.Smart Struct Sys,2014,14(5):869-881.8Choi Y T,Wereley N M.Self-powered magnetorheological dampers J.Int J Acoust Vib,2009,131(4):044501.9Ferdaus M M,Rashid M M,Hasan M H,et al.Optimal design of magneto-rheological damper comparing different configurations by finite element analysis 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