土木工程中的智能材料—磁流变液(MRF)
 2022年09月03日 来源:hh账号登录 作者:hh在线直播

  磁流变液(Magnetorheological Fluid , 简称MRF)属可控流体,是智能材料中研究较为活跃的一支。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性;而在强磁场作用下,则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。

  由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系,因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。在其众多应用领域当中,研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振器、刹车器、主动驱动器以及土模机构减振器。

  传统的建筑抗震主要是加强结构自身的强度来抵御结构外来动力作用,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,在地震时很难满足能源供给,因此在实际工程中较难被应用。磁流变液的发展为建筑结构的震动控制开辟了新的天地,利用磁流变液阻尼器(MR阻尼器)作为半主动震动控制中的驱动装置,可以在消耗少量能量的情况下,实现快速、高效的状态切换;而且磁流变液阻尼器结构型式相对简单和价格低廉,有着良好的工程应用前景。

  (1)压力驱动模式或流动模式。这是目前应用最多的一种工作模式,其原理为磁流变液在压力作用下通过固定的磁极,磁流变液流动的方向与磁场方向垂直,可通过励磁线圈的电流控制磁场的变化,使得磁流变液的流动性能发生变化,从而使磁流变阻尼器的阻尼力发生变化。该系统可用于伺服控制阀、阻尼器和减震器。

  (2)直接剪切模式。只有一个磁极固定,另一个磁极做平行于固定磁极的运动或绕固定磁极旋转,磁流变液在可移动磁极的作用下通过可控磁场,同样磁场方向垂直于磁流变流体流动,适合于磁极运动的使用场合。这种系统可用于离合器、制动器、锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。

  (3)挤压模式。磁极移动方向与磁场方向相同,磁场方向与磁流变液的流动方向垂直,磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作用。磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动,磁极移动位移较小,磁流变液产生的阻尼力较大,可应用于低速小位移(一般小于1mm)、大阻尼力的磁流变阻尼器和减震设备等。这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集,阻尼力随时间不断增长,无法实现对振动的稳定控制。

  目前,国内外很多单位的学者对磁流变液阻尼器在建筑结构减震方面的应用技术进行了大量的研究,并取得了一定的科研成就。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。2001年,日本Sanwa Tekki公司生产出阻尼力为300kN的大型磁流变阻尼器,并应用于日本东京国家新兴科技博物馆的地震反应控制中,结果显示磁流变阻尼器可以有效减小由地震引发的建筑振动。

  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地控制结构在地震作用下的响应。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。

  由于磁流变效应复杂性,目前还没有大家一致公认的磁流变阻尼器力学计算模型。研究最多的还是实验法,即根据实验数据,采用优化方法建立磁流变阻尼器的动力学模型,在此仅描述一些典型模型。

  Bingham模型是最简单的模型,把磁流变液看作带有屈服应力材料,当剪切应力达到屈服应力时,磁流变液发生剪切流动,剪切应力与剪切率成线性关系。磁流变阻尼器力学模型通过一个摩擦阻尼器和一个线性阻尼器来表示。

  为了表达磁流变液剪切变稀现象,Yang等采用了Herschel-Bulkley粘塑性模型来描述流变液剪切应力与剪切率之间的关系。

  在阻尼器主要的特性中,滞后特性是一个很重要的特征,阻尼器就是通过滞后特征来消耗能量从而达到减振的效果,由于Bingham不能描述阻尼器的滞后特征,提出了双粘性滞后模型的建模思路以及建立了双粘性滞后模型。

  -Wen滞变阻尼力之和。应用Boue -Wen模型磁流变液在低应变下的粘弹性及高应变下的库仑特性所表现出的复杂非线性特性。

  磁流变阻尼器在振动过程中,不断地将耗散的振动能量转化为磁流变体的热能,致使磁流变液的温度不断上升,温度的升高会影响磁流变液的力学性能,从而进一步影响阻尼器的耗能性能。徐赵东基于流体能量守恒原理基础上提出关于磁流变阻尼器的温度唯象模型。

  (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,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,磁流变阻尼器的控制系统客观存在时间滞后,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中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,结合试验开展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品,但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在: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是今后研究的热点。

  【2】李杰飞. 基于磁流变弹性体的阻尼器设计及性能研究[D]. 2019.

  【4】朱宏平, 沈文爱, 雷鹰,等. 结构减隔震控制系统性能监测、评估与提升[J]. 工程力学, 2020(1):1-16.