磁流变阻尼器与拉索振动控制研究

永磁调节式磁流变阻尼器在拉索减振中的应用研究龚禹;伍剑峰;孟庆甲【摘要】斜拉桥拉索易发生风雨振动,在拉索上安装磁流变阻尼器是一种有效的减振措施.基于洞庭湖大桥拉索减振系统升级改造工程,对永磁调节式磁流变阻尼器进行了力学性能试验,得到了该磁流变阻尼器在不同档位、频率和振幅工况下的滞回曲线,计算了不同档位下的等效阻尼系数,评估了拉索安装阻尼器后获得的实际阻尼比.结果表明,安装永磁调节式磁流变阻尼器后满足拉索减振要求.永磁调节式磁流变阻尼器已成功应用于岳阳洞庭湖大桥,解决了该桥严重的风雨致振动问题.【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(024)002【总页数】5页(P77-81)【关键词】风雨振;减振系统;磁流变阻尼器;力学性能;阻尼比【作者】龚禹;伍剑峰;孟庆甲【作者单位】湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】U441.3斜拉索是斜拉桥的关键构件，拉索具有很小的刚度、固有频率和模态阻尼比，在外部激励下易发生风雨振现象［1］，国内外学者越来越关注斜拉索风雨振现象及其振动控制，对拉索减振方面进行了许多研究［2］，提出了多种减振技术，其中最直接、最有效的拉索振动控制方法是增加拉索的阻尼，而目前增加拉索阻尼常用办法是在拉索和桥面间安装阻尼器，如磁流变阻尼器.磁流变阻尼器由高科技亚纳米材料－磁流变体制造的一种智能装置，可通过调节磁场强度，改变其阻尼特征，来实现控制阻尼力大小的输出，获得理想阻尼力来改变拉索的模态阻尼比，对于不同参数的拉索，采用同一型号阻尼器都能使每根拉索都达到最优的减振效果［3］，2002年首次应用RD－1005磁流变阻尼器于岳阳洞庭湖大桥拉索减振，有效地抑制了该桥强烈的风雨振［4］.为了解决原有磁流变阻尼器需要供电的问题，陈政清等［5］设计制作了永磁调节式磁流变阻尼器；禹见达等［6－7］根据磁流变阻尼器力学性能的试验结果，建立了非线性参数模型，很好地模拟了阻尼力的滞回特性；曹宏等［8］介绍了永磁调节装配式磁流变阻尼器在长沙洪山大桥拉索减振的应用情况；罗律［9］介绍了永磁调节式磁流变阻尼器在浏阳河大桥的应用情况，提出了永磁调节式磁流变阻尼器拉索减振方案.本文基于洞庭湖大桥拉索减振系统升级改造工程，对永磁调节式磁流变阻尼器进行了力学性能试验，得到了该磁流变阻尼器在不同档位、频率和振幅工况下的滞回曲线，计算了不同档位下的等效阻尼系数，评估了拉索安装阻尼器后获得的实际阻尼比，论证了洞庭湖大桥应用永磁调节式磁流变阻尼器进行了拉索减振的可行性.湖南岳阳洞庭湖大桥是我国第一座三塔双索面混凝土斜拉桥，处于洞庭湖与长江接口的特殊地理环境，风力大，曾多次发生风雨振，为了确保洞庭湖大桥的安全运营和拉索的使用寿命，于2002年对全桥中的156根拉索安装了磁流变阻尼器拉索减振系统，见图1，安装完成后RD－1005型磁流变阻尼器工作状态良好，有效解决了该大桥严重的风雨振问题，但RD－1005型磁流变阻尼器拉索减振系统需要供电来获得最优减振效果，运行一定年限后，减振系统工作可靠性能已有所降低，供电系统也暴露出一些问题，RD－1005型磁流变阻尼器须配备低压直流电源，长期紫外线照射使得线路老化，易造成供电系统短路，在风雨来临时可能无法为阻尼器供电，未供电的RD－1005磁流变阻尼器的阻尼力较小，只有在供电时阻尼器才能提供足够的阻尼力抵御拉索风雨振，但长期的供电也会使阻尼器温度过高而产生损坏，因此只能在拉索可能发生风雨振时才能给减振系统供电，但供电时间难以控制，拉索风雨振一旦形成，将造成阻尼器超行程运行，从而将阻尼器产生破坏，维护工作量和难度加大，安全可靠性降低.基于系统运营中存在的问题，根据拉索减振技术的发展，为了进一步提高磁流变拉索减振系统的可靠性和工程适用性，于2012年采用新型永磁调节装配式磁流变阻尼器对洞庭湖大桥拉索减振系统进行升级改造，具体技术方案为：采用永磁调节式磁流变阻尼器替换现有拉索减振系统的磁流变阻尼器，永磁调节式磁流变阻尼器尺寸与原阻尼器相当，原系统的其他部件如卡环、立柱等可以利用.原未安装减振器的60根拉索全部安装永磁调节式磁流变阻尼器，为保持桥梁减振系统美观协调，新安装的减振系统结构形式与原系统一致，即采用斜支撑，由两块钢板焊接成丁字形，从上到下截面逐渐变大，每边均采用曲线过渡，并进行镀锌处理.永磁调节装配式磁流变阻尼器的工作原理为：当往复外力通过活塞杆带动阻尼器内部活塞时，活塞两端的磁流变液便会通过活塞与内管间的节流孔之间往复流动，通过调整永久磁体可使节流孔内的磁场强度增强或减弱，使阻尼器输出的阻尼力随之增大或减小，因此通过对永磁体的调节，便可方便、快捷地控制阻尼器阻尼力的大小.永磁调节装配式磁流变阻尼器及内部构造如图2所示.试验装置及实验件如图3所示.试验加载装置采用MTS－810型伺服式疲劳试验机，因拉索风雨振发生的频率通常会小于3.0Hz，试验的激振频率取1.0Hz、2.0Hz和3.0Hz，振动幅值分别取2.5mm、5.0mm 和7.5mm，档位B 分别取0、1、2和3，选用正弦激励x＝Asin（wt），其中，x为阻尼器活塞端位移；A为激励振幅. 试验获得的永磁调节式磁流变阻尼器在位移振幅2.5mm、频率1.0Hz下，阻尼器的力与位移、速度滞回曲线分别如图4所示.由图4可知，滞回曲线都非常饱满，这说明磁流变阻尼器有着极强的减振耗能作用；从阻尼力与位移的关系曲线可以看出在振幅、频率一定，随着档位的增加，滞回曲线所包围的面积也增加，阻尼器的耗能能力增强；磁流变阻尼器在0档位时阻尼器出力为0.48kN，第3档与0档磁场下MR阻尼器的阻尼力之比为2.3，但阻尼器的最大阻尼力幅值并未达到饱和，可进一步提高，故阻尼力可调倍数大于2.3；从阻尼力与速度的关系曲线可以看出，在屈服后区阻尼力与速度的关系基本上呈正比.位移振幅2.5mm、档位B＝2条件下，阻尼器的力与位移、速度滞回曲线如图5所示.位移振幅2.5mm、频率1.0Hz条件下，阻尼器的力与位移、速度滞回曲线分别如图6所示.从图5、图6在阻尼力与位移的关系曲线可以看出档位一定的情况下，阻尼力都随频率和振幅的增加而增大；从阻尼力与速度的关系曲线可以看出，在屈服后区阻尼力随速度的增加并未增长很多，基本保持不变.永磁调节式磁流变阻尼器为非线性阻尼器，其等效粘性阻尼系数Ceq可采用下式评估：式中W 为滞回圈面积，即阻尼器一个周期所消耗的能量；ω为振动频率；A为振幅.每根拉索安装要求安装了两个大小很接近的阻尼器，且夹角为40°，根据永磁调节式磁流变阻尼器力学性能试验得到1.0Hz、2.5mm工况阻尼力与位移滞回曲线，等效阻尼系数计算结果如表2所示.斜拉桥拉索常见的大幅振动包括参数振动和风雨振.为了避免拉索发生参数共振，研究表明，要求的拉索系统模态阻尼比为：式中Smax为拉索振动引起的最大索力变化值（kN），S0为拉索初始索力（kN）.而要保证拉索在风雨气候条件下不发生大幅振动，要求拉索系统模态阻尼比为：式中St≥10，为Scruton数，ρ、d、m 分别为空气密度、拉索直径与每米质量. Pacheco（1993）［10］研究了考虑多阶模态的阻尼器优化设计问题，获得的阻尼器统一设计曲线如图7所示.由图7可知，安装阻尼器后拉索减振的优化阻尼系数为Copt＝0.10mLω01／（ixc／L），在该阻尼系数下拉索可获得的最大模态阻尼比为ξimax＝0.52（xc／L）（式中xc为阻尼器安装处距下锚固端的距离，L为拉索长度）.同样，当已知阻尼器等效粘性阻尼系数时，可以通过上图得到拉索的模态阻尼比.选取了洞庭湖大桥边塔斜拉索中的2根较长的拉索，表3给出了洞庭湖大桥边塔斜拉索基本参数.根据基本参数和计算理论，可得到洞庭湖大桥拉索减振系统升级改造后拉索获得的一阶、二阶、三阶模态阻尼比，计算结果如表4、表5所示.对于B15索，安装永磁调节式磁流变阻尼器后，相应的模态阻尼比分别从0.095%、0.071%、0.058%增加到0.64%、0.66%、0.63%.对于B16索，安装永磁调节式磁流变阻尼器后，相应的模态阻尼比分别从0.063%、0.088%、0.077%增加到0.53%、0.61%、0.60%.对照表4、表5可知，洞庭湖拉索减振系统升级改造采用的永磁调节式磁流变阻尼器拉索减振系统预期的阻尼比满足减振要求.2012年用于洞庭湖大桥永磁调节式磁流变阻尼器安装完成后，见图8，已运行1年有余，无明显风雨振现象发生，表现出优良的减振效果.通过永磁调节式磁流变阻尼器试验与分析，获得以下主要结论：（1）获得了永磁调节式磁流变阻尼器的力学性能力与位移、速度滞回曲线，得到了不同档位的的等效阻尼系数；（2）评估了B15、B16两根拉索安装磁流变阻尼器后获得阻尼比，安装磁流变阻尼器后拉索前3阶模态阻尼比提高了5倍以上，证明了磁流变阻尼器是拉索减振的可行的、有效的手段；（3）建立了洞庭湖大桥永磁调节式磁流变阻尼器拉索减振系统，已运行1年，具有优良的减振效果.【相关文献】［1］Hikami，Y and Shiraishi，N.Rain－wind Induced Vibrations of Cables in Cable－stayed Bridges［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1988，29：409－418.［2］Z Q Chen，X Y Wang，Y Q Ni and J M Ko.Field Measurements on Wind－rain－induced Vibration of Bridge Cables With and Without MR Damper［J］.Proceedings ofthe Third World Conference on Structural Control（ed.F Casciati），Como，Italy，April，2002：393－402.［3］王修勇，陈政清，倪一清，高赞明.斜拉桥拉索磁流变阻尼器减振技术研究［J］.中国公路学报，2003，16（2）：52－56.［4］Z Q Chen，X Y Wang，J M Ko，Y Q Ni.MR Damping system for Mitigating Wind－rain Induced Vibration on Dongting Lake Cable－stayed Bridge［J］.Wind and Structures，2004，7（5）：293－304.［5］陈政清.永磁调节装配式磁流变阻尼器［P］.中国发明专利公报，CN：1632345A，2005. ［6］禹见达，陈政清，曹宏，王修勇.永磁调节式MR阻尼器试验研究及工程应用［J］.振动工程学报，2006，19（4）：532－536.［7］禹见达，陈政清，王修勇，曹宏.磁流变阻尼器的非线性参数模型.振动与冲击，2007，26（4）：14－17.［8］陈政清，曹宏，禹见达，王修勇.磁流变阻尼器在洪山大桥拉索减振中的应用［J］.中南公路工程，2005，30（4）：27－30.［9］罗律.永磁调节式磁流变阻尼器在浏阳河大桥的应用［J］.城市道桥与防洪，2009，26（3）：98－100.［10］Pacheco，B.M.，Fujino，Y.and Sulekh，A..Estimation Curve for Modal Damping in Stay Cables with Viscous Damper［J］.Journal of Engineering Mechanics，1991，119（6）：1961一1979.。

磁流变阻尼器研究背景目的意义及现状1研究背景 (1)1.1磁流变阻尼器 (1)1.2自供能技术 (2)2研究目的及研究意义 (2)3相关技术国内外研究现状 (3)1研究背景1.1磁流变阻尼器磁流变阻尼器是近十年出现的一种新型的半主动能量吸收器。

这种阻尼器因为其简单的结构，连续、可顺逆调节的阻尼力，以及大的可调范围、很快的响应速度等优良特性受到广泛关注。

目前，磁流变阻尼器已在车辆悬挂系统、斜拉桥拉索振动控制、海洋平台结构的减振及高层建筑的隔振等方面得到了初步的应用，并且展现出了良好的应用前景。

磁流变阻尼器通常的组成部分通常有活塞杆，活塞头，由浮动活塞或隔膜来分离的液压和气动水缸。

在液压缸里，活塞杆连接到活塞头，活塞头上有磁路,例如由同心的线圈组成的管状磁通量回路。

当活塞杆带动整个结构运动时，液体流过活塞头上的一个环形间隙。

在这个过程中，只要在间隙中为活塞头上的线圈提供一个磁场就可以增加环形间隙中磁流变液的屈服应力。

屈服应力的增强改变了间隙中磁流变液的流速剖面并提升压力缩短了活塞头的位移。

这样，磁流变阻尼器能产生可控场依赖型屈服力，另外加上一个速度依赖型粘性阻尼力。

当线圈内的电流增大，节流孔内磁场就会增强，磁流变液流过节流孔的阻力随之增大，使得阻尼器输出的阻尼力增大，反之，电流减小，阻尼力也减小。

因此通过对输入电流的调节，即可控制阻尼器阻尼力的大小。

目前市场上供应的磁流变阻尼器主要为电流调节式，如美国LORD公司的RD-1005型MR阻尼器。

磁流变阻尼器根据工作过程中磁流变液的受力状态和流动特点的不同，主要分为阀式、剪切式、剪切阀式和挤压流动式，其中阀式阻尼器的特点是通过迫使磁流变液通过一对固定极板间隙产生阻尼；剪切式阻尼器在工作过程中，上下极板以一定的相对速度平行运动；剪切阀式磁流变阻尼器内的磁流变液既像阀式磁流变阻尼器内的磁流变液那样受到挤压被迫通过两极板，又像剪切式磁流变阻尼器内的磁流变液那样受到两极板相对运动时产生的剪切作用；挤压流动式的磁流变阻尼器的原理是两极板以一定相对速度作接近或拉开运动，它迫使流体向与极板运动速度垂直的方向流动。

磁流变阻尼器研究背景和国内外研究现状摘要：阻尼器在现今的社会工作、居民生活、航天航空、交通运输、机械制造等方面发挥了广泛的用处，其主要的功用是由阻尼而引发的减振效果。

在阻尼器中，最新的成果是磁流变阻尼器，这种阻尼器是一种新型的半主动控制设置，其最主要的运用在磁流变体的可逆流特性在强磁场下的快速装配。

本文阐述了磁流变阻尼器在国内外的研究背景和研究现状。

关键词：磁流变阻尼器；背景；研究现状1.研究背景磁流变阻尼器是一种可以用于观光车和汽车上的一种减震器。

其目前是国内外应用比较广泛的阻尼器之一，因为相对其余阻尼器而言，其具有结构非常简单、操作与控制及其方便、且具有无可比拟的响应速度等方面的优势受到生产厂商和工业领域的关注；尤其是在新型绿色能源与绿色工业背景下，磁流变阻尼器在功率消耗少、功率输出大、产污产废少等方面的优势，更是成为当前汽车行业、机械制造业以及传统的建筑行业的首选，得到了较快的发展。

磁流变阻尼器是一种现代化的由非传统减振材料（磁流变液等）制造的阻尼装置，其快速发展和应用使得其研究不断受到重视[1]。

磁流变液等新型材料的应用，对半主动控制领域的技术研发和应用起到了重要的作用。

磁流变液相比于其余材料，具有智能化的特点，在磁流变液中，主要的组成为微小的磁性颗粒，这些颗粒不具有导磁性、且分布规则。

通过在对磁性颗粒添加外加剂，能较好的保障磁流液的悬浮稳定性[2]。

在未加入磁场时，牛顿液体的特性是磁流变液的表现，其粘度与剪切率的乘积称为剪切应力；但在加入了磁场时，宾汉液体的特性却是磁流变液的表现，液体的粘滞力（粘度与剪切率的乘积称为粘滞力）与屈服应力两部分称为剪切应力，其中屈服应力由于磁场强度的上升而单调上升是流变特性的改变表现，但是液体的粘度保持不变。

当加入的磁场涉及到其中的一个临界值时，阻尼器的磁流变液运动的方向不发生紊乱和变化，但是当去掉所加入的磁场时，它会恢复到原来的状态。

传统减振器具有不可进行可控制的调节的缺点，其需要取决于弹簧的刚度和减振对象的相对速度是减振器的弹簧力与阻尼力[3]。

磁流变阻尼器拉索减振系统的参数优化研究龚禹【摘要】运用 MTS —810疲劳试验机对永磁调节式磁流变阻尼器进行了力学性能试验，得到了磁流变阻尼器的力与位移及速度滞回曲线；根据拉索阻尼器的优化设计理论，计算了实际拉索所需的档位大小；计算了阻尼器的最低安装高度。

结果表明，安装磁流变阻尼器后满足拉索减振要求。

【期刊名称】《湖南交通科技》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P98-101)【关键词】斜拉桥;拉索;磁流变阻尼器;力学性能;滞回曲线;档位;安装高度【作者】龚禹【作者单位】广东泛珠勘察设计有限公司，广东广州 510630【正文语种】中文【中图分类】U441+.30 前言洞庭湖大桥是连接华容和岳阳的一座大跨度公路桥梁，于2000 年建成完工并开始运营，为我国首座三塔型、双索面PC 斜拉桥，索间距为8.0 m，全桥设计拉索共布置222 根。

由于洞庭湖大桥所处的地理位置风力较大，风雨共现时间长，加之拉索具有的光滑表面，具备了发生风雨振的条件，北方寒潮来临时都会引起大桥拉索风雨振，最严重时单边振幅超过40 cm。

国内外学者越来越关注斜拉索风雨振现象及其振动控制，对拉索减振方面进行了许多研究，提出了多种减振技术，其中最直接、最有效的拉索振动控制方法是增加拉索的阻尼，而目前增加拉索阻尼常用办法是在拉索和桥面间安装阻尼器，如磁流变阻尼器。

磁流变阻尼器由高科技亚纳米材料－磁流变体制造的一种智能装置，可通过调节磁场强度，改变其阻尼特征，来实现控制阻尼力大小的输出，获得理想阻尼力来改变拉索的模态阻尼比，对于不同参数的拉索，采用同一型号阻尼器都能使每根拉索都达到最优的减振效果。

陈政清教授等［1－4］设计制作了永磁调节式磁流变阻尼器;禹见达等［5，6］根据磁流变阻尼器力学性能的试验结果，建立了非线性参数模型，很好地模拟了阻尼力的滞回特性;进行阻尼器减振系统的优化设计，使减振效果达到最优，磁流变阻尼器的优化设计主要考虑两个因素:一方面是阻尼器的安装位置，另一方面是磁流变阻尼器的阻尼系数。

振动与冲击第22卷第4期J OURNA L OF VIBR ATION AND SHOCK Vol.22No.42003斜拉索-磁流变阻尼器系统半主动控制的神经网络法X王修勇1陈政清2倪一清3(1.湘潭工学院土木系,湘潭411201;2.中南大学土木建筑学院;3.香港理工大学建设与地政学院)摘要磁流变阻尼器具有良好的可变阻尼特性,能用于结构的半主动控制。

针对斜拉桥拉索-磁流变阻尼器系统,本文提出了利用神经控制器进行半主动控制的神经网络法,该神经控制器根据过去时刻的加速度响应和控制信号预测下一时间步的控制信号,并给出了训练方法及开展了数值仿真研究。

仿真结果显示,采用神经网络半主动控制能取得很好的减振效果,证明该方法是可行的。

关键词:斜拉索,磁流变阻尼器,半主动控制,神经网络中图分类号:U441.30引言斜拉桥拉索在外部激励下容易发生大幅振动,对拉索的使用寿命和桥梁安全运营构成威胁,拉索的振动控制已成为斜拉桥面临解决的关键问题之一[1]。

磁流变阻尼器是由智能材料磁流变体制造的新一代智能阻尼器,通过调节磁流变阻尼器的输入电压可以改变其阻尼特性,获得良好的可变阻尼。

因为磁流变阻尼器所需的能量很小,所以应用磁流变阻尼器进行的控制称为半主动控制。

采用磁流变阻尼器控制斜拉桥拉索振动是一项新的减振技术,理论和现场试验证明该阻尼器对拉索具有良好的振动控制效果,并已在岳阳洞庭湖大桥全桥实施[2,3]。

该桥目前采用优化电压下的被动控制,为了取得更好的减振效果,有必要开展半主动控制研究。

在磁流变阻尼器半主动控制研究方面,Dyke、Spencer等[4,5]采用加速度反馈控制算法,对磁流变阻尼器的抗震性能进行了仿真和试验研究;Ni Y Q等[6]采用神经网络评估系统的状态变量,对拉索-磁流变阻尼器系统的半主动控制进行了研究;王代华[7]则应用LQR算法对磁流变阻尼器的半主动控制进行了研究。

近年来出现了以神经网络、模糊神经网络等人工智能方法为代表的智能控制算法,如Ghaboussi和他的同事们[8]在应用神经网络进行结构主动控制方面开展了深入研究。