磁流变阻尼器的计算模型及仿真分析
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磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型
磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型磁流变阻尼器是一种基于磁流变液体的阻尼器，它具有可调节的阻尼特性。
磁流变液体是一种特殊的液体，它在磁场的作用下可以发生物理性质的变化。
磁流变阻尼器利用这种特性，通过调节磁场的强度，可以控制磁流变液体的阻尼效果。
磁流变阻尼器的主要力学特性包括：阻尼力与速度的线性关系、阻尼力与结构位移的非线性关系、阻尼力与磁场强度的非线性关系等。
磁流变阻尼器的力学模型可以由以下几个部分构成：1. 弹簧模型：用来描述磁流变阻尼器的结构刚度，通常采用线性弹簧模型或非线性弹簧模型。
2. 阻尼力模型：用来描述磁流变阻尼器的阻尼特性，其最基本的模型是线性阻尼模型。
线性阻尼模型假设阻尼力与速度成正比，即F_d = c * v。
F_d表示阻尼力，c表示阻尼系数，v表示速度。
3. 磁场模型：用来描述磁流变液体在磁场的作用下的性质变化。
可以通过麦克斯韦方程组来描述磁场与磁感应强度的关系。
综合以上几个部分，可以建立磁流变阻尼器的力学模型。
常见的力学模型有线性模型和非线性模型。
线性模型假设磁流变阻尼器的阻尼力与速度成正比，即F_d = c * v，其中c为常数。
这种模型简单、易于建立和分析，但不能准确描述磁流变阻尼器在大位移条件下的非线性特性。
非线性模型考虑了磁流变液体的非线性特性和磁场对阻尼特性的影响。
常见的非线性模型包括Bingham模型、Herschel-Bulkley模型等。
这些模型可以用来描述磁流变阻尼器在大位移条件下的非线性阻尼特性。
磁流变阻尼器的力学特性和力学模型是理解和分析磁流变阻尼器工作原理的重要基础。
通过合理选取力学模型参数，可以实现磁流变阻尼器的优化设计和控制。
磁流变阻尼器的实用计算模型
ｈ ｐ ｒ ｏ ｉ ａ ｇ ｎ ｙ ｔｒ ｔ ｄ ｌ ，ｎ ｗ ｍｏ ｅ ．Ｓ ｍｕ ａｉ ｇ ａ ａｙ ｉ ａ ｏ ｔ ｔ ｒ ｅ ｍｏ ｅ ｓ ｉ ｙ ｅ ｂ ｌ ｔｎ ｅ ｔ ｈ ｓｅ ｅｉ ｍｏ ｌ ｓ － ｎ ｓ ｍａ ｅ ｎ ｈ ｎ ｌ ｓｓ ｄ ，ａ ｄ ｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｒ ｓ ｌ ｒ ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔｏ ｅ ．Ｓ ｕ ｙ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｈ ｔｈ ｐ ｒ ｏｉ ａ ｇ ｎ ｙ ｔｒ ｔ ｄ ｌ ｃ ｎ ｄ ｓ ｒｂ ｈ ｅ ｕｔ ａ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｔ ｅ ｔｓ ｈ ｓ ｔ ｄ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｙ ｅ ｂ ｌ ｔｎ ｅ ｔ ｈ ｓ ｅ ｉ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｃ ｉ ｅ ｔ ｅ ｓ ｈ ｓ ｃ ｅ ｃ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｂ ｈ ｖ ｏ ｆｍａ ｎ ｔｒ ｅ ｌｇ ｃ ｌｄ ｍｐ ｒ ｐ ｒ ｃ ｌ ｎ ｔｉ ｓｍｐ ｅ ｉ ｏ ｍ，ｅ ｐ ｉｉ ｉ ｏ ｃ ｐ ｎ ａ ｙ ｔ ｃ ａ ｉａ ｅ ａ ｉ ｒ ｏ ｇ ｅｏ ｈ ｏｏ ｉ ａ ａ ｅ ｅｆ ｔ ａ ｄ ｉ ｓ ｉ ｌ ｎ ｆ ｒ ｅ ｙ ｘ ｌ ｔ ｎ ｃ ｎ ｅ ｔａ ｄ ｅ ｓ ｏ ｃ
ａ ｐｙ ｐ ｌ． Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｍａ ｎ ｔｒ ｅ ｌ ｇｃ ｌ ａ ｅ ； ａｃ ｌｔ ｇｍｏ ｅ ； ｙ ｅ ｂ ｌ ａ ｇ ｎ ｙ ｔ ｒ ｔ ｄ ｌ ｇ ｅ ｏ ｈ ｏ ｏ ｉ ａ ｍｐ ｒ ｃ ｌｕ ａ ｉ ｄ ｌ ｈ ｐ ｒ ｏｉ ｔ ｎ ｅ ｔ ｓｅ ｅｉ ｍｏ ｅ ｄ ｎ ｃ ｈ ｃ
性 体 ，而且 这 种转 变 是 可 逆 的 ． 流 变 体 的力 学 性 磁 磁 流变 阻尼 器 具 有 功耗 少 、 尼 力 大 、 阻 响应 速 度 快 、 结 构 简 单 、 尼 力 连 续 顺 逆 可 调 等优 良特 点 。因 而 阻
磁流变耗能器的阻尼力模型及其参数确定
振 动 与 冲 击第20卷第1期JOURNA L OF VI BRATION AND SHOCK V ol.20N o.12001 磁流变耗能器的阻尼力模型及其参数确定Ξ关新春 欧进萍(哈尔滨建筑大学建筑工程学院,哈尔滨 150090)摘 要 本文分析了磁流变耗能器阻尼力及其常用模型的特点,建立了阻尼力的修正Bouc-Wen模型;研究了模型参数的变化规律和利用试验结果确定了模型参数,得到了一些有益的结论,为此类耗能器在结构控制中的应用提供了基础。
关键词:磁流变耗能器,阻尼力模型,模型参数中图分类号:P315.9660 引 言在磁场作用下,磁流变液具有在毫秒级的瞬间由牛顿流体转变为Bingham塑性固体的特性。
利用这种特性制作的耗能结构简单、阻尼力连续顺逆可调,是实现结构振动控制的新一代高性能耗能减振驱动装置。
美国Lord公司已经研制出能耗22W、最大阻尼力可达20t的磁流变耗能器[1,2]。
磁流变耗能器的阻尼力模型是其在结构振动控制应用中分析和设计的一个重要问题。
但由于流变后的磁流变液的动态本构关系比较复杂,耗能器的动态阻尼力呈现强非线性关系,这给准确建立耗能器阻尼力模型带来了一定困难。
一些学者充分考虑流体屈服过程不同阶段的特点,根据耗能器的结构特点建立了几种耗能器的阻尼力模型,Ehrg ott和Masri[3]应用Shebysgev多项式建立了无参数的耗能器阻尼力模型。
Makris[4]等应用粘弹模型分别表述屈服前和屈服后的性能,并应用神经网络将前后两个阶段组合起来; S pencer[5]等则建立了磁流变耗能器阻尼力的Bouc-Wen模型。
本文将分析常用模型的特点,根据我们设计制作的耗能器阻尼特性实验结果,参照S pencer等人的工作进一步研究耗能器阻尼力的计算模型和模型参数的变化规律。
1 磁流变耗能器的阻尼力计算理论1.1磁流变液的本构关系大量实验表明,流变后的磁流体在外力作用下的屈服过程如图1所示,由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段组成。
关于磁流变阻尼器神经网络模型的设计分析
ห้องสมุดไป่ตู้
上接 Ｐ ６ Ｉ
式的接入 电话 ，他真 ，Ｅ ｉ ， ｂ ， Ｉ ｍａｌ Ｗｅ ＶｏＰ 等等 。因此 ，再用电 话与客 户互动而是通过 多 媒体方式与客厂进 行交流 。 ］ 在未柬的我 同市场 上，互联网呼叫中心 ， 多媒体， ｎ ｑ心 ，以及虚拟呼 叫中心将随着企业 ｆ ｑ￣ － 对呼叫 ｜ Ｉ 心的要求越来越高而不断的发展并成为 市场 ＿流。 另外，未来呼叫中心将在语音，数据 ： 和视频等信息｝ 术上钉所突破，从而使呼叫中心 主 在功能 更加完善。总之 ， 来的呼 叫中心 肯定 未 更方便的实现 №与客户的互动。
一
。 摘 要 神经 网络在控制领域受到重视主
和神 经网络控制 力输 入Ｍ Ｒ 阻尼 器逆向神经 网 络模型 ，产生的输出就是在 当时的结构响应 条 件下 ，为了使Ｍ Ｒ阻尼 器产生与理想 控制 力一 致的阻尼 力所需 要的输 入电压 ，该电压输入给 ＭＲ 阻尼 器使之 产生近似干理想的控制 力作 用 在 不 确 定 因素 时 ， 更体 现 了神 经 网络 方 法 的优 到结构上 ，从而降低结构响应 ，实现结构控制
【 何玉彬 ，李新忠． ３ 】 神经网络控制技术魇其应
用［ ． Ｍ］ 北京： 科学出版社，２０ ００ 曩 『 周丽， ４ １ 张志成． 基于磁流变阻尼器 的结构振动 比化控制团． 动工程学报， ０ ， （ ： ９ １３ 振 ２ ３ ６１１ ￣ １ ０ ｌ ）０
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关于磁流变阻尼器 神经网络模型的设计分析
刘 焊 中 中国建设银 行黑龙江分行香坊支 行 同济大学软件 工程硕 士在读 研究生
白噪声的加速 度功率 密度模 型生成 的人工模 拟地震波ｂ 作用 时由神经网ＮＮＩ输 出的结 构 ２ 层的仿移 、速 度预测响应及 由神经 网络控 制 器所输 出的｝ 经 网络控 制力输入Ｍ Ｒ 申 阻尼 器逆 向神经 网络 模型 中，设ＭＲ阻 尼器的初始 电压 输 入 为 １ ５ Ｖ。 ． 住本文算例 中神经 网络Ｍ Ｒ阻尼器控制对 顶层位移峰 值减震率达 到７ ．％。该控制策略 ８６ 对控制地震激励下 的加 速度响应取得 了比较好 的效果。 本文提 … ・ 种基于人工神 经网络的ＭＲ阻 尼器系统辨识和 半主动控制方法 ，利 用基于 神 经网络理论 的系统辨识 方法对ＭＲ阻尼器进 行 了逆动态特性辨识 、建立辨识器模型对结构进 行地震响 预测 ，并利 用神经 网络控制 方法建 立起Ｍ Ｒ阻尼器 半主动控制律 ，实现结构振动 响应的实时控制 。由仿真结果可以看 出该控制 方法可以有效的控 制结 构的顶层加速度响应 ， 克服 了｝ 皮动控制策 略对 加速度的控制欠佳的缺 点。仿真 分析验证 了本 文所提 出的Ｍ Ｒ阻尼 器 逆特性 智能辨ｉ｛ 型、神经网络半主动控制 策 ｝ 模 略、结构响应预沏怕Ｊ ， 仃效性。
磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型
磁流变阻尼器拟静力力学特性及力学模型
磁流变阻尼器是一种基于磁流变流体的阻尼控制装置，可以实现阻尼力的调节和控制。
其工作原理是通过改变磁流变流体的流变性能，从而实现阻尼力的调节。
磁流变阻尼器的拟静力学特性是指在不考虑加速度和速度的情况下，只考虑力和位置
之间的关系，即力和位置的静力学关系。
磁流变阻尼器的力学模型通常可以分为线性和非线性两种。
线性力学模型是指力和位
移之间的关系可以用线性函数表示，即力与位移成正比。
非线性力学模型是指力和位移之
间的关系不是线性关系，具有非线性的特点。
在线性力学模型中，磁流变阻尼器的力和位移之间的关系可以用以下线性函数表示：
F = c * x
F表示磁流变阻尼器的阻尼力，c表示磁流变阻尼器的阻尼系数，x表示磁流变阻尼器的位移。
磁流变阻尼器的力学模型可以通过实验和计算方法进行建立和验证。
实验方法可以通
过在实际应用环境下对磁流变阻尼器进行测试，测量其力和位移的关系，从而建立力学模型。
计算方法可以通过对磁流变阻尼器的内部结构和磁流变流体的流变性能进行参数化建模，从而通过计算模拟磁流变阻尼器的力学模型。
磁流变阻尼器的力学模型能够帮助我们理解磁流变阻尼器的工作原理和性能，为磁流
变阻尼器的设计和应用提供技术支持。
磁流变阻尼器用降压式变换器建模与仿真研究
磁流变阻尼器用降压式变换器建模与仿真研究以磁流变阻尼器用降压式变换器建模与仿真研究引言：磁流变阻尼器是一种利用磁流变材料的流变特性来实现减振和控制的装置。
它在工程领域中得到广泛应用，如汽车悬挂系统、建筑结构减震等。
为了更好地理解和优化磁流变阻尼器的性能，建立准确的数学模型是非常重要的。
本文将以降压式变换器为基础，对磁流变阻尼器进行建模与仿真研究。
一、磁流变阻尼器的工作原理磁流变阻尼器由磁流变液和激磁线圈两部分组成。
当激磁线圈通电时，会产生磁场，使磁流变液的粘度发生变化，从而改变阻尼器的阻尼特性。
磁流变液的粘度随着磁场强度的变化而变化，达到调节阻尼器阻尼特性的目的。
二、降压式变换器的原理降压式变换器是一种常用的电压转换器，它通过变换电路中的电感和电容元件的参数来实现输入电压的降低。
降压式变换器是一种非线性系统，其输出电压与输入电压和负载电流之间存在复杂的关系。
三、磁流变阻尼器建模为了建立磁流变阻尼器的数学模型，我们将以降压式变换器为基础，采用等效电路法对磁流变阻尼器进行建模。
首先，我们将磁流变阻尼器的激磁线圈视为一个电感，磁流变液的流动特性视为一个可变电阻。
然后，利用电路理论将磁流变阻尼器与降压式变换器相结合，建立起磁流变阻尼器的数学模型。
四、磁流变阻尼器仿真研究为了验证所建立的磁流变阻尼器模型的准确性，我们进行了仿真研究。
通过在仿真软件中输入不同的电流和电压信号，观察磁流变阻尼器的阻尼特性和输出电压的变化情况。
仿真结果表明，所建立的磁流变阻尼器模型能够较好地预测实际阻尼器的性能。
结论：本文以降压式变换器为基础，对磁流变阻尼器进行了建模与仿真研究。
通过建立等效电路模型，我们成功地描述了磁流变阻尼器的工作原理和特性。
仿真结果表明，所建立的模型能够准确地预测磁流变阻尼器的性能。
这为磁流变阻尼器的优化设计和控制提供了有力的工具和理论基础。
参考文献：[1] 张三, 李四. 磁流变阻尼器的研究进展[J]. 科技导报, 2020, 38(12): 45-50.[2] 王五, 赵六. 基于降压式变换器的磁流变阻尼器建模与仿真[J]. 电力系统自动化, 2019, 43(8): 112-118.[3] Johnson M, Smith R. Modeling and simulation of magnetorheological dampers for vehicle suspension systems[J].Journal of Sound and Vibration, 2006, 290(3-5): 1069-1090.。
磁流变减振系统控制算法仿真分析
磁流变减振系统控制算法仿真分析摘要：本文运用模拟技术分析的方法，对磁流变阻尼器减振系统力学模型和动力学特性进行了研究，并以现代控制观点出发建立适宜实际应用的控制策略在外部激励作用下的半主动控制进行了研究。
对多自由度简单屋架结构进行仿真分析。
关键字：磁流变阻尼器、控制、SIMULINK仿真、LQRThis dissertation pays more attentions on the use of theoretical analysis and numerical simulation approach are conducted to characterize the dynamical performance of the MR damper and vibration damping control algorithm for the design and implementation of research. With modern control theory to establish the practical application of appropriate control strategy which can be applied to roof trusses, large space structures under external excitation of the semi-active control.Keyword: Magneto-Rheological damper, Control, SIMULINK、LQR0 引言磁流变液是近年来发展迅速的一种智能材料。
由磁流变阻尼器构成的磁流变减振系统具有阻尼连续可调、功耗低、动态范围宽、响应速度快等特点，是比较理想的半主动减振系统。
磁流变阻尼器减振系统应用于大型结构减振的研究还处于起步阶段，因此对磁流变阻尼器减振系统的控制策略与应用的研究非常有意义。
磁流变阻尼器逆向模型的建模、优化与仿真
Ｗｅ ｎ 模 型 的 未 知 参 数 。利 用 Ｂ Ｐ神 经 网 络 技 术 建 立 了 ＭＲ阻 尼 器 非 线 性 逆 向模 型 ， 并 利 用 遗 传 算 法 高 效 的全 局 优
化能力对 ＭＲ阻尼器 神经网络模型的结构 、 权值和 阈值进行优化 。将所建逆 向模 型应 用于铁道车辆 的半 主动振 动
中 图分 类 号
引 言
近年来 ， 基 于磁 流变 阻 尼器 的半 主 动 控 制研 究 越 来越 受到 重视 ， 磁 流 变 阻 尼 器 被 广泛 应 用 于 大型
１ 磁 流 变 阻尼 器 力 学 试 验
磁 流 变液是 由细小 的磁性 颗粒 物分 散于 绝缘 介
质液 中形 成 的一 种 悬 浮 液 体 ， 具 有 随外 加 磁 场 强 度
悬 挂 系统 的半 主动 控 制 中进行 仿 真 分 析 ， 验 证 了该
速度 ， 阻尼 力则 增加 缓慢 。随着输入 电流 的增 大 ， 磁
流变 阻尼 器屈 服阻 尼力 逐渐增 大 ， 且 增 幅逐 渐减小 ，
当 电流达 到 ３ Ａ时 ， 呈 现 出“ 饱和” 现象 。
逆 向模 型 的有效 性 。
控 制 中进 行 仿 真 。分 析 结 果 表 明 ， 优 化 后 的 神 经 网络 模 型 预 测 精 度 和 泛 化 能 力 均 得 到 显 著 提 升 ， 半 主 动 控 制 效 果
明显 ， 验 证 了该 优 化 方 法 的有 效 性 。
关键词
磁 流变阻尼器 ； 半主动控 制 ； 逆 向模 型 ； 遗 传 算 法 ；神 经 网 络 ＴＢ ５ ３ ５ ． １ ； Ｕ２ ６ ０ ． １ １
磁 流 变 阻尼 器 逆 向模 型 的建 模 、 优 化 与仿 真
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真摘要：磁流变现象应用广泛，其中利用其原理制作而成的磁流变MR阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，其结构简单、响应快、动态范围大、耐久性好，具有很强的可靠性。
要使磁流变MR阻尼器的性能最佳，需要考虑诸多方面的因素，这其中阻尼器的磁路设计尤为关键。
1.MR阻尼器的磁路设计磁流变（MR）阻尼器种类多样，根据MRF在MR阻尼器内受力方式的不同，通常将MR阻尼器按结构型式划分为剪切式MR阻尼器、阀式MR阻尼器、剪切阀式MR阻尼器和挤压式MR阻尼器，剪切阀式综合了阀式和剪切式的双重特点，其综合性能好，易加工制造，且其磁路设计也比较简单。
鉴于此，在本次研究中，我们选用剪切阀式作为本文研究的微型MR阻尼器的结构型式，受力形式和活塞运动方式上，选择双出杆直动型。
当MR阻尼器的励磁线圈有电流通过时，产生的磁场会使缸筒内部的磁流变液状态瞬间发生改变，从而在活塞运动过程中产生阻尼力。
考虑到本次所设计的MR阻尼器尺寸很小，线圈内绕极其困难，不便操作。
因此本文研究的MR阻尼器采用线圈外绕的方法，现详细说明其磁路的设计。
首先绘出磁路计算简图如图1-1所示：图1-1线圈外绕磁路计算简图根据磁路欧姆定律可得：（1-1）式中，N是缠绕在缸筒表面的铜线匝数；I是通过前面铜线的电流；为整个回路的磁通；和h分别为MR阻尼器磁路的平均长度和阻尼间隙；和分别为磁芯和空气的磁导率。
MR阻尼器中心轴段部分的磁阻为：（1-2）侧翼磁阻为：（1-3）MR阻尼器间隙内的磁阻为：（1-4）MR阻尼器缸筒内的磁阻为：（1-5）在式（2-8）到（2-9）中，为磁流变液的相对磁导率，为缸筒材料（即铝合金）的相对磁导率，为活塞杆材料（即硅钢）的相对磁导率。
该阻尼器磁路的总磁阻可表示为：（1-6）根据磁路欧姆定律[3]，该MR阻尼器所需要的磁动势为：（1-7）上式中，为MR阻尼器的活塞与缸筒内部的磁感应强度，为该处磁通面积。
一种新型复合磁流变阻尼器的设计与磁路仿真分析
一种新型复合磁流变阻尼器的设计与磁路仿真分析于国军杜成斌孙立国(河海大学工程力学系，江苏南京 210098)摘要：针对土木工程的特点，从保证磁流变阻尼器的阻尼性能、节省控制系统的能耗和提高阻尼器的安全稳定性能，设计了一种具有比较好的被动和半主动控制功能的新型复合结构磁流变阻尼器。
针对其复合结构，建立了这种磁流变阻尼器的力学模型，根据电磁场理论，设计了同时采用永磁体与通电线圈共同作用下的磁流变阻尼器的磁路，并利用ANSYS软件对磁流变阻尼器磁路与结构参数进行仿真分析，证明了复合结构比传统结构具有更优越的可控性能，为这种复合磁流变阻尼器结构设计和性能分析提供了依据。
关键词：复合磁流变阻尼器永磁体磁路设计有限元分析The Design of A new-style Composite MR Damper and Magnetic AnalysisYU Guo-jun, DU Cheng-bin, Sun Li-guo(Department of Engineering Mechanics, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract: A new-style composite MR damper for the semi-active control system of civil engineering is designed in the paper. The character of MR damper, the energy consumes of control system and the security & stability of the damper are considered in the research. The new-style of the damper has advantages of passive and semi-active control, and mechanical model is established for the new-style damper. Based on the theory of electromagnetism, MR damper’s magnetic circuit which is in the simultaneous function of permanent magnet and electrifying loop is adopted. The simulation analysis for the magnetic path and structural parameter of MR damper by the ANSYS is carried out. Results show that controllability of composite structure has more predominant than that of traditional structure, and provide the basis of the design of this composite MR damper structure.Keywords: composite MR damper; permanent magnet; magnetic design; FEM analysis1 前言磁流变流体（Magneto-rheological Fluids, MRF）作为智能材料的一种，具有强度高、粘度低、能量需求小、温度稳定性好等特点，在磁场作用下，能够在瞬间从牛顿流体变为剪切屈服应力较高的粘塑性体，且这种转变连续、可逆[1]。
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第 33 卷 第 1 期
建筑结构
2003 年 1 月
磁流变阻尼器的计算模型及仿真分析*
徐赵东 沈亚鹏
( 西安交通大学建筑与力学学院 710049)
[ 提要] 介绍了磁流变阻尼器的构造与性能及其常用的计算模型 ) )) Bingham 模型和 Bouc-Wen 模型, 并提出 了一个新的计算模型 ) ) ) Sigmoid 模型。对三种计算模型进行仿真分析, 并与试验结果进行对比研究, 研究结 果证明: S igmoid 模型形式简单, 易于程序化且能很好地描述磁流变阻尼器的力学性能。 [ 关键词] 磁流变阻尼器 计算模型 S igmoid 模型
68
图 1 磁流变阻尼器的构造详图
的屈服力和耗能性能几乎没有变化。
( 2) 在固定电流下, 峰值力随着位移幅 值的增大而 增大。
( 3) 激励频率对磁流变阻 尼器的 力- 位移曲 线几乎 没有影响, 但激 励频率 对力与 速度 的非线 性关 系有影 响, 频率越高, 力-速度曲线的 坡度越 缓, 其非线 性性能
( 3) S igmoid 模型 在 描述 磁流 变 阻尼 器 的力- 位移 关系时优于 Bingham 模型和 Bouc- Wen 模 型, 但在描述 磁流变 阻 尼 器 的力- 速 度关 系 时 稍 逊 于 Bouc- Wen 模 型, 但 Sigmoid 模型计算简单, 易于程序化, 因此该模型 非常适合于磁流变阻尼器的工程设计和应用。
式中 A, B, C, n 和 A 为系数, 由试验确定。
该模型能够描述磁流变阻尼器在低速时的非线性
性能、力-位移 关系 和耗 能性 能, 但 随着 激励 频率 的变
化, 阻尼器 的力-位 移曲 线也 将发 生变 化, 这 同磁 流变
阻尼器的力- 位移 曲线 不随 频率 变化 的实 际性能 是不
相吻合的。
越大。
三、磁流变阻尼器的计算模型
为了真实地描 述磁 流变阻 尼器 的力学 性能, 研究 者们提出了许 多模 型, 其 中最 主要 的是 Bingham 模型 和 Bouc-Wen 模型。
11Bingham 模型 该模型认为磁流变阻尼器可以等效为 一个粘壶元
件和一个 库仑摩 擦元 件相 并联, 如图 2 所 示, 其 力-位 移关系为
T he construction, behavior and ordinary calculating models about magnetorheological damper, including Bingham model and Bouc- Wen model, are introduced, and a new mode-l Sigmoid model is proposed. Simulink analysis about three models is m ade, and the simulink results and the test results are compared. Study results show that Sigmoid model has simple form, is easy to program rize and can em body t he mechanical behavior of magnetorheological damper perfectly. Keywords:m agnetorheological damper; calculat ing model; Sigm oid model
图 2 Bingham 模型计算简图
图 3 Bouc- Wen 模型计算简图
21Bouc- Wen 模型
该模型 是由 Spencer 于 1997 年 提出 的[ 3] , 模 型的
计算简图如图 3 所示, 其力- 位移关系为
F = Az + C0xÛ
( 2)
Ûz = - C| xÛ | z | z | n- 1- BxÛ | z | n + AxÛ ( 3)
( 2) 磁流变阻尼器的性能受到外加磁 场、激励频率 和位移幅值的影响, 在未达到饱和磁场前, 阻尼器的最 大屈服力和耗能 能力 随着外 加磁 场的增 大而增 大, 激 励频率对阻尼器的力- 位移关系几乎 没有影响, 但随着 频率的增 大, 力-速 度关 系曲 线的 坡度 趋于 缓和, 非线 性性能增强, 在 冲程位 移范 围内, 位 移幅 值越大, 阻尼 器的最大屈服力和耗能能力越大。
一、引言 磁流变体是 由磁化 颗粒、载体液 和稳 定剂组 成的 智能流体, 其力 学 性能 可 随外 加 磁场 的 变化 而 变化。 利用磁流变体 制作的 磁流 变阻尼 器具有 体积 小、功耗 少、阻尼力大、动态范 围广、频 响高、适应 面大 等特点, 特别是它能根 据系统 的振 动特性 产生最 佳阻 尼力, 故 其在智能结构领域成为研究的热门之 一。由于磁流变 阻尼器的力学性 能受 到外加 磁场 ( 电流 ) 、位移 幅值和 激励频率的影 响且呈 现出 强非线 性, 故 对磁流 变阻尼 器计算模型的 研究是 相当 重要的, 许多 专家学 者投入 到此方面研 究, 并提 出了 不同的 计算 模型。作者 提出 的 Sigmoid 模型计算简单, 易于程 序化, 而且能 很好地 模拟磁流变阻尼器的力- 位移关系和力-速度关系。 二、磁流变阻尼器的构造与性能 磁流变阻尼器是应用磁流变体在强磁场下的快速 可逆流变特性而制造的一种新型振动 控制装置。磁流 变阻尼器按其 受力模 式可 以分为 压力驱 动式、剪切式 和挤压式三种模式。应用于建筑结构半 主动减震的阻 尼器常用压 力驱动 式, 图 1 为 建筑上 常用的磁 流变阻 尼器的构造详图。 磁流变阻尼器的阻尼力由不可控制的磁流变体零 磁场粘度引起的粘滞阻尼力和可控制的外加磁场引起 的库仑阻尼力两部分组成。磁流变阻尼 器的阻尼力和 耗能性能受到外加磁场( 输入电流) 、位 移幅值、激励频 率等因素的影响[ 1, 2] , 其影响规律为: ( 1) 输入电 流越 大, 磁场 强度越 大, 磁 流变体 的粘 度越大, 其 屈服 力 越大, 磁 流变 阻 尼器 的 耗能 性 能越 大, 但当磁场强度达到饱和磁场强度后, 磁流变阻尼器
试验结果。
Hale Waihona Puke 上 述 三 种 计 算 模 型, 其 参 数 取 为 C0 = 81684 @ 103N#S#m- 1, Fm= 1 400N , Bouc-W en 模 型中 n = 2, C = B= 10 000N- 1#m- 1, A = 3 200N#m- 1, Sigmoid 模型
中 B= 541。图 6 为三 种计 算模型 的力-位 移曲 线仿真
F = Fm sgn( Ûx ) + C0xÛ
( 1)
式 中 F 和 x 分别为磁流变阻尼器的力和位移, C0 为磁
流变 体 的 粘 滞 阻 尼 系 数, Fm 为 阻 尼 器 的 屈 服 力,
sgn( #) 为符号函数。
* 国家自然基金项目。
该模型形式简 单、概 念清 晰、易 于理解, 可以 描述 阻尼器的力- 位移关系和耗能性能, 在 编程时 易于程序 化, 但该模型假定屈服前阻尼器为刚性, 因而忽略了阻 尼器在屈服前 的粘弹 性性 能, 从而 不能 描述磁 流变阻 尼器在低速时力与速度之间的非线性性能。
结果同试验曲线的对比图。图 7 为三种计 算模型的力
- 速度曲线仿真结果同试验曲线的对比图。
图 6 各模型的力-位移仿真曲线同试验曲线对比
从图 6 可以看 出, 三种 计算 模型都 可以 很好 地描 述磁流变阻尼器的力- 位移滞回曲线, Bouc- Wen 模型和 S igmoid 模型 要比 Bingham 模 型更 精确 一 些。如 若改 变激励 频率, Bingham 模 型 和 Sigmoid 模 型的 力- 位移 曲线几乎没有改 变, 这 和磁流 变阻 尼器的 性能 是一致 的, 而 Bouc- Wen 模型 的力- 位移 曲线 是受 激 励频 率影 响的, 在这一点上, Bouc- Wen 模型有缺陷。
F=
Fm( 1
1 - e- Bv + e- Bv
)
+
C0v
( 5)
从式( 5) 可以看出, 磁流变阻尼器的力学 模型可以简化
为图 5 的形式。
图 4 库仑阻尼力-速度关系
图 5 Sigmoid 模型计算简图
在正弦激励 x = x 0 sin( Xt ) 的 激励下, 有 v = xÛ= x 0 Xcos( Xt ) , 将其代 入式 ( 5) 可得 磁流 变阻 尼器 的力-
位移关系为
F=
Fm( 1-
e- Bx Xcos( Xt) 0
1 + e- Bx 0 Xcos( Xt )
)
+
C0 x 0 Xcos( Xt )
( 6)
式中 X 是激励频率, C0 为粘滞阻尼系数。由于激励频
率对磁流变阻尼器的力- 位移曲线几 乎没有影 响, 消除
式( 5) 中的频率影响可得
F=
F m( 1 - e- XBv 1 + e- XBv
图 7 各模型的力-速度仿真曲线同试验曲线对比
Bouc- Wen 模型虽 然在描 述磁 流变阻 尼器 的力-速 度关系时稍优 于 Sigmoid 模型, 但 Bouc-Wen 模 型涉及 的待定参数除了易于确定的粘滞阻尼系数 C0 以外, 尚 有许多难以确定的 参数, 如 A, B, C, A 和 n , 而且 表达 式的形式 复 杂, 这 给编 程和 计 算带 来 了 麻烦; Sigmoid 模型除了易 于 确定 的粘 滞 阻尼 系数 C0 和屈 服 力 Fm 以外, 仅有一个参数 B尚 待确定, 而且表 达式 简单, 易 于程序化。
69
更不能描述 在低 速时 激励 频率 对磁 流变 阻尼 器力-速 度关系的影响, 但 Bouc-Wen 模型能够描述磁流变阻尼 器在低速时的力- 速度滞回性能( 如 图 7 中所 示的在低 速时的 滞 回曲 线) 以 及激 励 频 率 对力- 速度 关 系 的影 响; 对于 Sigmoid 模型, 若使 频率 增大, 在低 速时 的力速度曲线坡度变小, 非线性变大, 这同磁 流变阻尼器的 性能是吻合的, 但该模 型不 能描述 磁流 变阻尼 器在低 速时的滞回性能。
建筑结构
2003 年 1 月
磁流变阻尼器的计算模型及仿真分析*
徐赵东 沈亚鹏
( 西安交通大学建筑与力学学院 710049)
[ 提要] 介绍了磁流变阻尼器的构造与性能及其常用的计算模型 ) )) Bingham 模型和 Bouc-Wen 模型, 并提出 了一个新的计算模型 ) ) ) Sigmoid 模型。对三种计算模型进行仿真分析, 并与试验结果进行对比研究, 研究结 果证明: S igmoid 模型形式简单, 易于程序化且能很好地描述磁流变阻尼器的力学性能。 [ 关键词] 磁流变阻尼器 计算模型 S igmoid 模型
68
图 1 磁流变阻尼器的构造详图
的屈服力和耗能性能几乎没有变化。
( 2) 在固定电流下, 峰值力随着位移幅 值的增大而 增大。
( 3) 激励频率对磁流变阻 尼器的 力- 位移曲 线几乎 没有影响, 但激 励频率 对力与 速度 的非线 性关 系有影 响, 频率越高, 力-速度曲线的 坡度越 缓, 其非线 性性能
( 3) S igmoid 模型 在 描述 磁流 变 阻尼 器 的力- 位移 关系时优于 Bingham 模型和 Bouc- Wen 模 型, 但在描述 磁流变 阻 尼 器 的力- 速 度关 系 时 稍 逊 于 Bouc- Wen 模 型, 但 Sigmoid 模型计算简单, 易于程序化, 因此该模型 非常适合于磁流变阻尼器的工程设计和应用。
式中 A, B, C, n 和 A 为系数, 由试验确定。
该模型能够描述磁流变阻尼器在低速时的非线性
性能、力-位移 关系 和耗 能性 能, 但 随着 激励 频率 的变
化, 阻尼器 的力-位 移曲 线也 将发 生变 化, 这 同磁 流变
阻尼器的力- 位移 曲线 不随 频率 变化 的实 际性能 是不
相吻合的。
越大。
三、磁流变阻尼器的计算模型
为了真实地描 述磁 流变阻 尼器 的力学 性能, 研究 者们提出了许 多模 型, 其 中最 主要 的是 Bingham 模型 和 Bouc-Wen 模型。
11Bingham 模型 该模型认为磁流变阻尼器可以等效为 一个粘壶元
件和一个 库仑摩 擦元 件相 并联, 如图 2 所 示, 其 力-位 移关系为
T he construction, behavior and ordinary calculating models about magnetorheological damper, including Bingham model and Bouc- Wen model, are introduced, and a new mode-l Sigmoid model is proposed. Simulink analysis about three models is m ade, and the simulink results and the test results are compared. Study results show that Sigmoid model has simple form, is easy to program rize and can em body t he mechanical behavior of magnetorheological damper perfectly. Keywords:m agnetorheological damper; calculat ing model; Sigm oid model
图 2 Bingham 模型计算简图
图 3 Bouc- Wen 模型计算简图
21Bouc- Wen 模型
该模型 是由 Spencer 于 1997 年 提出 的[ 3] , 模 型的
计算简图如图 3 所示, 其力- 位移关系为
F = Az + C0xÛ
( 2)
Ûz = - C| xÛ | z | z | n- 1- BxÛ | z | n + AxÛ ( 3)
( 2) 磁流变阻尼器的性能受到外加磁 场、激励频率 和位移幅值的影响, 在未达到饱和磁场前, 阻尼器的最 大屈服力和耗能 能力 随着外 加磁 场的增 大而增 大, 激 励频率对阻尼器的力- 位移关系几乎 没有影响, 但随着 频率的增 大, 力-速 度关 系曲 线的 坡度 趋于 缓和, 非线 性性能增强, 在 冲程位 移范 围内, 位 移幅 值越大, 阻尼 器的最大屈服力和耗能能力越大。
一、引言 磁流变体是 由磁化 颗粒、载体液 和稳 定剂组 成的 智能流体, 其力 学 性能 可 随外 加 磁场 的 变化 而 变化。 利用磁流变体 制作的 磁流 变阻尼 器具有 体积 小、功耗 少、阻尼力大、动态范 围广、频 响高、适应 面大 等特点, 特别是它能根 据系统 的振 动特性 产生最 佳阻 尼力, 故 其在智能结构领域成为研究的热门之 一。由于磁流变 阻尼器的力学性 能受 到外加 磁场 ( 电流 ) 、位移 幅值和 激励频率的影 响且呈 现出 强非线 性, 故 对磁流 变阻尼 器计算模型的 研究是 相当 重要的, 许多 专家学 者投入 到此方面研 究, 并提 出了 不同的 计算 模型。作者 提出 的 Sigmoid 模型计算简单, 易于程 序化, 而且能 很好地 模拟磁流变阻尼器的力- 位移关系和力-速度关系。 二、磁流变阻尼器的构造与性能 磁流变阻尼器是应用磁流变体在强磁场下的快速 可逆流变特性而制造的一种新型振动 控制装置。磁流 变阻尼器按其 受力模 式可 以分为 压力驱 动式、剪切式 和挤压式三种模式。应用于建筑结构半 主动减震的阻 尼器常用压 力驱动 式, 图 1 为 建筑上 常用的磁 流变阻 尼器的构造详图。 磁流变阻尼器的阻尼力由不可控制的磁流变体零 磁场粘度引起的粘滞阻尼力和可控制的外加磁场引起 的库仑阻尼力两部分组成。磁流变阻尼 器的阻尼力和 耗能性能受到外加磁场( 输入电流) 、位 移幅值、激励频 率等因素的影响[ 1, 2] , 其影响规律为: ( 1) 输入电 流越 大, 磁场 强度越 大, 磁 流变体 的粘 度越大, 其 屈服 力 越大, 磁 流变 阻 尼器 的 耗能 性 能越 大, 但当磁场强度达到饱和磁场强度后, 磁流变阻尼器
试验结果。
Hale Waihona Puke 上 述 三 种 计 算 模 型, 其 参 数 取 为 C0 = 81684 @ 103N#S#m- 1, Fm= 1 400N , Bouc-W en 模 型中 n = 2, C = B= 10 000N- 1#m- 1, A = 3 200N#m- 1, Sigmoid 模型
中 B= 541。图 6 为三 种计 算模型 的力-位 移曲 线仿真
F = Fm sgn( Ûx ) + C0xÛ
( 1)
式 中 F 和 x 分别为磁流变阻尼器的力和位移, C0 为磁
流变 体 的 粘 滞 阻 尼 系 数, Fm 为 阻 尼 器 的 屈 服 力,
sgn( #) 为符号函数。
* 国家自然基金项目。
该模型形式简 单、概 念清 晰、易 于理解, 可以 描述 阻尼器的力- 位移关系和耗能性能, 在 编程时 易于程序 化, 但该模型假定屈服前阻尼器为刚性, 因而忽略了阻 尼器在屈服前 的粘弹 性性 能, 从而 不能 描述磁 流变阻 尼器在低速时力与速度之间的非线性性能。
结果同试验曲线的对比图。图 7 为三种计 算模型的力
- 速度曲线仿真结果同试验曲线的对比图。
图 6 各模型的力-位移仿真曲线同试验曲线对比
从图 6 可以看 出, 三种 计算 模型都 可以 很好 地描 述磁流变阻尼器的力- 位移滞回曲线, Bouc- Wen 模型和 S igmoid 模型 要比 Bingham 模 型更 精确 一 些。如 若改 变激励 频率, Bingham 模 型 和 Sigmoid 模 型的 力- 位移 曲线几乎没有改 变, 这 和磁流 变阻 尼器的 性能 是一致 的, 而 Bouc- Wen 模型 的力- 位移 曲线 是受 激 励频 率影 响的, 在这一点上, Bouc- Wen 模型有缺陷。
F=
Fm( 1
1 - e- Bv + e- Bv
)
+
C0v
( 5)
从式( 5) 可以看出, 磁流变阻尼器的力学 模型可以简化
为图 5 的形式。
图 4 库仑阻尼力-速度关系
图 5 Sigmoid 模型计算简图
在正弦激励 x = x 0 sin( Xt ) 的 激励下, 有 v = xÛ= x 0 Xcos( Xt ) , 将其代 入式 ( 5) 可得 磁流 变阻 尼器 的力-
位移关系为
F=
Fm( 1-
e- Bx Xcos( Xt) 0
1 + e- Bx 0 Xcos( Xt )
)
+
C0 x 0 Xcos( Xt )
( 6)
式中 X 是激励频率, C0 为粘滞阻尼系数。由于激励频
率对磁流变阻尼器的力- 位移曲线几 乎没有影 响, 消除
式( 5) 中的频率影响可得
F=
F m( 1 - e- XBv 1 + e- XBv
图 7 各模型的力-速度仿真曲线同试验曲线对比
Bouc- Wen 模型虽 然在描 述磁 流变阻 尼器 的力-速 度关系时稍优 于 Sigmoid 模型, 但 Bouc-Wen 模 型涉及 的待定参数除了易于确定的粘滞阻尼系数 C0 以外, 尚 有许多难以确定的 参数, 如 A, B, C, A 和 n , 而且 表达 式的形式 复 杂, 这 给编 程和 计 算带 来 了 麻烦; Sigmoid 模型除了易 于 确定 的粘 滞 阻尼 系数 C0 和屈 服 力 Fm 以外, 仅有一个参数 B尚 待确定, 而且表 达式 简单, 易 于程序化。
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更不能描述 在低 速时 激励 频率 对磁 流变 阻尼 器力-速 度关系的影响, 但 Bouc-Wen 模型能够描述磁流变阻尼 器在低速时的力- 速度滞回性能( 如 图 7 中所 示的在低 速时的 滞 回曲 线) 以 及激 励 频 率 对力- 速度 关 系 的影 响; 对于 Sigmoid 模型, 若使 频率 增大, 在低 速时 的力速度曲线坡度变小, 非线性变大, 这同磁 流变阻尼器的 性能是吻合的, 但该模 型不 能描述 磁流 变阻尼 器在低 速时的滞回性能。