CN101915282A - 无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法与装置 - Google Patents

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本发明公开了一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法与装置。外筒内安装有软磁体内筒；安装在软磁体内筒的超磁致伸缩材料的两端分别与上下永磁体的一端连接，上下永磁体的另一端分别与上磁轭的一端和下磁轭的一端连接，上磁轭的另一端与活塞杆的一端在软磁体内筒连接，活塞杆的另一端伸出端盖外，T形的导向活塞安装在软磁体内筒下端孔内，下磁轭的另一端与T形的导向活塞大端连接，T形的导向活塞小端外套有弹簧并安装在底盖中心孔内。采用永磁体、磁轭和磁流变液介质构成输入磁回路，采用超磁致伸缩材料、永磁体、磁轭、磁流变液介质和软磁材料构成输出磁回路。省掉了线圈和外配电源，只需很少的材料即可实现被控结构振动机械能向磁场能的转换。

Description

无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法与装置
技术领域
本发明涉及磁流变阻尼技术，尤其是涉及一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法与装置。
背景技术
磁流变阻尼技术，就是以磁流变液或磁流变弹性体作为阻尼元件，利用磁流变效应(Magnetorheological Effect)来实现阻尼作用。利用磁流变效应制作的磁流变阻尼器件具有结构简单、响应迅速、易于控制、能耗低、阻尼力大以及阻尼力可调范围宽等特点。在车辆悬挂系统、建筑结构(如桥梁、大坝、高层建筑等)、制动器和离合器、军用装备中舰炮的后坐力控制、直升飞机旋翼的减振等领域中获得了较广泛的应用，实现振动结构系统的主动、半主动控制。本发明以磁流变液为例进行说明，不排除其他磁流变体作为阻尼元件的情况。
目前具备的磁流变效应技术，发生作用需要一个外加磁场，采用电磁铁原理(如螺线管线圈)通过调节励磁线圈中的电流获得所需的可控磁场，使磁流变液的粘度在外加磁场的作用下发生变化，从而改变减振器的阻尼力，需要外配电源来驱动线圈。这种技术，线圈和外配电源使得磁流变阻尼器的体积和重量大，对于重量和能源有严格要求的航空航天结构领域，磁流变阻尼器的应用还未取得突破性研究进展；磁流变液的响应时间为毫秒级，但磁流变阻尼器的总响应时间受电磁场上升时间τ＝L/R(L为线圈的电感，R为线圈的电阻)的限制，一般在11～110毫秒的范围内，难以满足一些要求快速响应的场合。
近年来有不少学者开展了自适应变阻尼、自传感变阻尼磁流变技术等方面的研究，美国专利US7112474B2中提出一种磁流变弹性体的自适应减振装置，它通过可变气隙的磁路结构设计达到磁流变弹性体自适应被控结构的振动位移。中国发明专利200411040673.6中提出一种集成相对速度传感功能的磁流变阻尼器以及自适应减振方法，通过在活塞杆中设置感应线圈，与励磁线圈一起组成有源磁电式相对速度传感器，活塞与缸体之间轴向相对运动使感应线圈的磁链发生相应变化并感生得到一反映该相对运动的传感输出信号。中国发明专利200411068853.5中为保证磁流变阻尼器在电源失效时能在大阻尼状态工作，在MR阻尼器中设置了永磁体，提出了一种逆变型MR阻尼器，可达到小电流大阻尼的逆变效果。中国发明专利200711068598.8中提出了一种磁流变阻尼控制方法，它基于超磁致伸缩与磁流变耦合机理，由永磁体提供恒定的总磁通量，当外部压力负载加载在超磁致伸缩材料上时，其内部磁畴向与施力方向垂直的方向偏转，导致其内部磁化强度减小，因此磁回路①的磁通量减小，由于总的磁通量不变，导致磁回路②的磁通量增加，缝隙处的磁流变介质在磁场作用下阻尼增大，而且负载越大，磁回路②的磁通量增加越多，缝隙处的磁流变介质的阻尼力也越大，起到了抗压阻尼控制的效果；其发明存在的缺点是当超磁致伸缩材料受拉力时，其内部磁化强度增大，因此磁回路①的磁通量增大，由于总的磁通量不变，导致磁回路②的磁通量减小，缝隙处的磁流变介质在磁场作用下阻尼减小，因此其发明只适用于需要抗压阻尼的领域，而无法适用于需要抗拉阻尼的领域，又由于其发明中所设计的磁路需要将永磁体环绕在超磁致伸缩材料外围，软磁体环绕在永磁体外围，结构复杂，体积较大。
发明内容
为了克服背景技术中体积大、结构复杂、只能提供抗压阻尼而不能提供抗拉阻尼的不足，本发明的目的在于提供一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法与装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法：
不需要驱动线圈和外部电源，上永磁体、上磁轭和磁流变液介质构成上输入磁回路，下永磁体、下磁轭和磁流变液介质构成下输入磁回路，超磁致伸缩材料、上下永磁体、上下磁轭、磁流变液介质和软磁体内筒构成输出磁回路；
首先给超磁致伸缩材料施加预压力，超磁致伸缩材料内部磁畴向与施力方向垂直的方向偏转，导致其内部磁化强度减小，输入磁回路的磁通量增大，由于总的磁通量不变，因此输出磁回路的磁通量减小，磁流变介质在磁场作用下阻尼减小，当加载拉力时，超磁致伸缩材料内部磁畴向轴向偏转，导致其内部磁化强度增大，输入磁回路的磁通量减小，由于总的磁通量不变，输出磁回路的磁通量增大，通过缝隙处磁流变液介质的磁通量增大，因此磁流变液介质的阻尼力变大，产生的抗拉阻尼变大，而且拉力负载越大，输出磁回路的磁通量增加越多，磁流变液介质的阻尼力也越大。
二、一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制装置：
外筒的两端孔内分别与端盖和底盖相连，外筒内安装有软磁体内筒，软磁体内筒两端支撑在端盖和底盖之间；安装在软磁体内筒的超磁致伸缩材料的两端分别与上下永磁体的一端连接，上下永磁体的另一端分别与上磁轭的一端和下磁轭的一端连接，上磁轭的另一端与活塞杆的一端在软磁体内筒连接，活塞杆的另一端伸出端盖外，T形的导向活塞安装在软磁体内筒下端孔内，下磁轭的另一端与T形的导向活塞大端连接，T形的导向活塞小端外套有弹簧并安装在底盖中心孔内；与软磁体内筒相配的活塞杆、上磁轭、超磁致伸缩材料、上下永磁体、下磁轭和T形的导向活塞之间充满磁流变液介质，软磁体内筒和外筒之间具有空气腔，磁流变液介质经软磁体内筒下端径向孔与所述空气腔相连通；上永磁体、上磁轭和磁流变液介质构成上输入磁回路，下永磁体、下磁轭和磁流变液介质构成下输入磁回路，超磁致伸缩材料、上下永磁体、上下磁轭、磁流变液介质和软磁体内筒构成输出磁回路。
本发明具有的有益效果是：
省掉了线圈和外配电源，只需很少的材料即可实现被控结构振动机械能向磁场能的转换。基于本发明方法生产的新型阻尼器相比传统的磁流变阻尼器结构更紧凑，体积和重量更小，可靠性更高，总响应时间(磁流变介质本身的响应时间)提高到毫秒级，与目前的半主动控制的磁流变阻尼器相比，具有无能源装置、大载荷、大阻尼力、响应快及对拉力载荷有较好的缓冲等特点，在一些对重量、体积有严格要求、需要有较强的抗拉阻尼能力的场合具有广泛的应用前景。如航空航天领域，对装置的重量、体积以及可靠性有严格的要求，本发明无能源装置，自适应控制，并且体积和重量小，在航空航天领域有非常可观的应用前景；又如在建筑领域中，很多材料(如混凝土、玻璃等)抗压能力强，抗拉能力弱，由混凝土构成的建筑(如桥梁、大坝、高层建筑等)质量大、抗拉能力较弱，本发明可受预压负载力大、抗拉阻尼大，可以很好的应用于建筑行业；又如在石油运输领域中，传输管道所受的压强大，管道法兰连接需要较大的抗拉能力，本发明可以为之提供较大的抗拉阻尼，防止其连接处发生泄漏。因此，本发明在航空航天、建筑、石油运输等较多领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的机械结构图。
图2是初始状态磁路原理示意图。
图3是受预压负载的磁路示意图。
图4是受外部拉力的磁路示意图。
图中：1、底盖，2、外筒，3、弹簧，4、软磁体内筒，5、磁流变液介质，6、导向活塞，7、下磁轭，8、下永磁体，9、超磁致伸缩材料，10、上永磁体，11、上磁轭，12、活塞杆，13、端盖。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，外筒2的两端孔内分别与端盖13和底盖1相连，两边的连接处均采用O型密封圈进行密封，外筒2内安装有软磁体内筒4，软磁体内筒4两端支撑在端盖13和底盖1之间，软磁体内筒4与端盖13之间存在橡胶密封；安装在软磁体内筒4的超磁致伸缩材料9的两端分别与上下永磁体10，8的一端连接，上下永磁体10，8的另一端分别与上磁轭11的一端和下磁轭7的一端连接，上磁轭11的另一端与活塞杆12的一端在软磁体内筒4连接，活塞杆12的另一端伸出端盖13外，伸出处采用斯特封进行密封，T形的导向活塞6安装在软磁体内筒4下端孔内，下磁轭7的另一端与T形的导向活塞6大端连接，T形的导向活塞6小端外套有弹簧并安装在底盖1中心孔内；与软磁体内筒4相配的活塞杆12、上磁轭11、超磁致伸缩材料9、上下永磁体10，8、下磁轭7和T形的导向活塞6之间充满磁流变液介质5，软磁体内筒4和外筒2之间具有空气腔，磁流变液介质5经软磁体内筒4下端径向孔与所述空气腔相连通；上永磁体10、上磁轭11和磁流变液介质5构成上输入磁回路，下永磁体8、下磁轭7和磁流变液介质5构成下输入磁回路，超磁致伸缩材料9、上下永磁体13，8、上下磁轭11，7、磁流变液介质5和软磁体内筒4构成输出磁回路。
本发明的工作过程如下：
如图2所示，初始状态时，超磁致伸缩材料9在上下永磁体10，8的作用下其磁畴沿轴向发生偏转，导致其内部磁化强度增大，相对磁导率变大。如图3所示，预压负载F1通过活塞杆12加载在阻尼器上，通过弹簧3提供支持反力，施加到超磁致伸缩材料9上，超磁致伸缩材料9内部磁畴向与施力方向垂直的方向偏转，导致其内部磁化强度减小，输入磁回路②的磁通量增大，由于总的磁通量不变，输出磁回路①的磁通量减小，磁流变介质在磁场作用下阻尼减小，而且预压负载越大，输出磁回路的磁通量越小。如图4所示，当加载拉力F2时，超磁致伸缩材料内部磁畴向轴向偏转，导致其内部磁化强度增大，输入磁回路②的磁通量减小，由于总的磁通量不变，输出磁回路①的磁通量增大，磁流变液介质的阻尼力变大，产生的抗拉阻尼变大。
由于省掉了线圈和外配电源，且超磁致伸缩材料9是高能量密度材料(20kJ/m3，是压电材料的25倍)，即只需很少的材料即可实现被控结构振动机械能向磁场能的转换，因此这种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制的新型阻尼器相比传统的磁流变阻尼器结构更紧凑，体积和重量更小，由于不需要外配电源，可靠性更高，此外由于超磁致伸缩材料的响应时间为微秒级，将使阻尼器的总响应时间提高到毫秒级(磁流变介质本身的响应时间)，由于超磁致伸缩材料的高抗压强度，该新型阻尼器又具有可受预压负载大的特点。

Claims (2)

1.一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制方法，其特征在于：不需要驱动线圈和外部电源，上永磁体、上磁轭和磁流变液介质构成上输入磁回路，下永磁体、下磁轭和磁流变液介质构成下输入磁回路，超磁致伸缩材料、上下永磁体、上下磁轭、磁流变液介质和软磁体内筒构成输出磁回路；
首先给超磁致伸缩材料施加预压力，超磁致伸缩材料内部磁畴向与施力方向垂直的方向偏转，导致其内部磁化强度减小，输入磁回路的磁通量增大，由于总的磁通量不变，因此输出磁回路的磁通量减小，磁流变介质在磁场作用下阻尼减小，当加载拉力时，超磁致伸缩材料内部磁畴向轴向偏转，导致其内部磁化强度增大，输入磁回路的磁通量减小，由于总的磁通量不变，输出磁回路的磁通量增大，通过缝隙处磁流变液介质的磁通量增大，因此磁流变液介质的阻尼力变大，产生的抗拉阻尼变大，而且拉力负载越大，输出磁回路的磁通量增加越多，磁流变液介质的阻尼力也越大。
2.一种实施权利要求1所述方法的一种无源磁流变抗拉阻尼自适应控制装置，其特征在于：外筒(2)的两端孔内分别与端盖(13)和底盖(1)相连，外筒(2)内安装有软磁体内筒(4)，软磁体内筒(4)两端支撑在端盖(13)和底盖(1)之间；安装在软磁体内筒(4)的超磁致伸缩材料(9)的两端分别与上下永磁体(10，8)的一端连接，上下永磁体(10，8)的另一端分别与上磁轭(11)的一端和下磁轭(7)的一端连接，上磁轭(11)的另一端与活塞杆(12)的一端在软磁体内筒(4)连接，活塞杆(12)的另一端伸出端盖(13)外，T形的导向活塞(6)安装在软磁体内筒(4)下端孔内，下磁轭(7)的另一端与T形的导向活塞(6)大端连接，T形的导向活塞(6)小端外套有弹簧并安装在底盖(1)中心孔内；与软磁体内筒(4)相配的活塞杆(12)、上磁轭(11)、超磁致伸缩材料(9)、上下永磁体(10，8)、下磁轭(7)和T形的导向活塞(6)之间充满磁流变液介质(5)，软磁体内筒(4)和外筒(2)之间具有空气腔，磁流变液介质(5)经软磁体内筒(4)下端径向孔与所述空气腔相连通；上永磁体(10)、上磁轭(11)和磁流变液介质(5)构成上输入磁回路，下永磁体(8)、下磁轭(7)和磁流变液介质(5)构成下输入磁回路，超磁致伸缩材料(9)、上下永磁体(10，8)、上下磁轭(11，7)、磁流变液介质(5)和软磁体内筒(4)构成输出磁回路。
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