CN104100671A - 并联常通孔式磁流变阻尼器及其零场、有场阻尼力系数和阻尼力的求取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联常通孔式磁流变阻尼器以及其零场、有场阻尼力系数和阻尼力的求取方法。磁流变阻尼器包括缸体，缸体内滑动设有活塞，活塞一端设有活塞杆，活塞杆从缸体一端开口伸出，活塞包括铁芯，铁芯侧壁上凹设有至少一环形线槽，各环形线槽缠绕有励磁线圈，励磁线圈外部套设有隔磁保护环，隔磁保护环两侧、铁芯侧壁上套设有导磁保护环，隔磁保护环和导磁保护环与缸体的内壁间存在缝隙而形成环形阻尼通道，沿轴向方向，铁芯上开设有至少一常通孔。本发明磁流变阻尼器在结构振动的半主动控制中，只需依据开关控制策略，在零电流与最大电流值之间切换即可实现阻尼力的控制，避免了复杂逆向力学模型的建立及求解，控制过程简单、实用。

Description

并联常通孔式磁流变阻尼器及其零场、有场阻尼力系数和阻尼力的求取方法

技术领域

本发明涉及一种具有并联的常通孔的磁流变阻尼器，以及对其零场阻尼系数、有场阻尼系数和阻尼力的求取方法，属于结构磁流变振动半主动控制技术领域。

背景技术

磁流变液是一种对磁场敏感的智能材料，随着外部磁场的加载或撤出，磁流变液在非牛顿流体与牛顿流体之间转化，这种转换是可逆的、连续的。磁流变液的剪切屈服强度大、响应快，以其为基础的磁流变阻尼器是理想的变阻尼器件，广泛应用于车辆工程、武器系统、土木工程、航天航空等领域的结构振动半主动控制。

目前已有的磁流变阻尼器的特点是，感应通道和非感应通道是串联关系，一旦感应通道中有磁场通过时，磁流变液发生流变效应，由流动性较好的牛顿流体转变为具有较强剪切屈服强度的非牛顿流体，整个感应通道被发生流变效应的磁流变液完全堵塞，只有当活塞两端的压强差足够大，磁流变液屈服后才可以流动。

从实际使用中可以看出，已有的磁流变阻尼器的结构会给其自身带来如下问题与缺陷：

1)逆向力学模型复杂。为了实现对磁流变阻尼器阻尼力的控制，通过获取磁流变阻尼器的各种动力学参数，如位移、速度、加速度等，在这些动力学参数的基础上，建立控制电压/电流与阻尼力之间的关系，即建立逆向力学模型(也称为控制模型)。而面对已构建好的逆向力学模型，通过对所设计的磁流变阻尼器在一定频率的激励下进行多次实验，基于逆向力学模型对磁流变阻尼器的输入(如电压、电流)与输出(如阻尼力-位移图、阻尼力-速度图)进行拟合，便可得到该磁流变阻尼器的各种动力学参数。

目前，为了更精确地描述磁流变阻尼器存在的非线性滞回等特性，各种逆向力学模型不断提出并改进，但所建立的逆向力学模型都非常复杂，各项参数可达十几个，极其不便于数值处理，且需要更多的传感器来获得状态参数，因此难以在实际中得到有效的应用，况且磁流变阻尼器的输出特性还受激振频率、工作温度、使用时长等诸多因素的影响，而已有的逆向力学模型尚未考虑这些因素，且没有在线升级能力，因此通过已有的逆向力学模型对磁流变阻尼器进行精确控制是难以实现的。

2)控制过程复杂。磁流变阻尼器在应用中的控制过程可用图1来表示。如图1，获取被控对象的状态输出，经一定的控制策略计算出期望的阻尼力，然后通过磁流变阻尼器的逆向力学模型计算出所需要加载的电流/电压，达到控制磁流变阻尼器输出的阻尼力的目的。虽然控制策略的设计过程可能较为复杂，但其执行时的计算往往是非常简单的，仅仅是将某些状态输出乘以相应系数或通过简单的逻辑判断即可得到期望的阻尼力。然而，由于逆向力学模型由强非线性方程构成，参数过多，因而会带来三方面的问题：一是计算量大，依据状态输出和期望的阻尼力，求得电流/电压非常困难和耗时，会导致复杂的程序设计和控制滞后，使得逆向力学模型求解成为整个控制回路的瓶颈；二是逆向力学模型的求解需要额外增加传感器，一些控制策略本身所需要的传感器可能较少，但为了满足逆向力学模型的参数输入而需要增加传感器，带来了成本增加及系统可靠性方面的问题；三是将简单的控制策略的执行过程变得复杂化，一些开关控制策略只需在最大阻尼力系数与最小阻尼力系数之间进行切换即可，但若采用磁流变阻尼器作为阻尼调节机构，当依据控制策略切换至最大阻尼力系数时，则需要根据结构的振动状态来计算期望的阻尼力，然后经复杂的逆向力学模型计算电流/电压，以实施对阻尼力的控制，执行过程十分复杂。

3)引起“颤振”。已有的磁流变阻尼器在活塞速度较低时，若将电流/电压加载到最大值，则瞬间的阻尼力增大会使等效阻尼力系数趋于无穷大。这就意味着采用开关控制策略时，若不按照图1所示过程实施控制，则当需要切换至最大阻尼力系数时直接加载最大电流/电压，虽然可以避开复杂的逆向力学模型求解过程，但磁流变阻尼器的结构瞬间“硬化”会带来较大的冲击，从而引起“颤振”。

发明内容

本发明的目的是克服现有的磁流变阻尼器存在的逆向力学模型和控制过程复杂，难以应用于工程实际的问题，提出一种并联常通孔式磁流变阻尼器，具有并联的常通孔的该磁流变阻尼器在通入的电流为零时，磁流变液从常通孔和环形阻尼通道流过，实现了最小阻尼力，对应着零场阻尼力系数，在通入的电流加载至最大值时，环形阻尼通道被发生流变效应的磁流变液堵塞而充当限压阀的作用，在磁流变液屈服前，磁流变液仅从常通孔流过，实现了最大阻尼力，对应着有场阻尼力系数，因此，该磁流变阻尼器只需依据开关控制策略，在零电流与最大电流值两者之间切换，即可避免建立复杂的逆向力学模型及对模型的求解，极大简化了控制过程。

本发明的另一目的是基于并联常通孔式磁流变阻尼器，提出一种对其零场阻尼力系数、有场阻尼力系数、阻尼力进行快速、准确的求取方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种并联常通孔式磁流变阻尼器，其特征在于：它包括缸体，该缸体内滑动设有活塞，该活塞的一端固接有活塞杆，该活塞杆从该缸体一端开口中伸出，其中：该活塞包括铁芯，该铁芯的侧壁上凹设有至少一圈环形线槽，各该环形线槽内缠绕有励磁线圈，该励磁线圈的外部套设有隔磁保护环，在该隔磁保护环的两侧、该铁芯的侧壁上套设有导磁保护环，该隔磁保护环和该导磁保护环与该缸体的内壁之间存在缝隙，该缝隙形成环形阻尼通道，沿轴向方向，该铁芯上开设有至少一个常通孔。

在实际制作中，所述铁芯、所述导磁保护环、所述缸体为碳钢或电工纯铁材料制成，所述隔磁保护环为铜或铝合金材料制成。

一种所述的磁流变阻尼器的零场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：经由公式求得所述磁流变阻尼器活塞上下两端的最小压差系数C_min，其中，C₁为第一压差系数，C₂为第二压差系数， η为磁流变液的零场粘度，L_o为所述常通孔的高度，d_o为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数，L_g为所述环形阻尼通道的总高度，R_m为所述环形阻尼通道的中径，h为所述环形阻尼通道的宽度；

步骤2：经由公式求得零场阻尼力系数C_l+，其中，A_p为所述活塞的端面有效面积。

一种所述的磁流变阻尼器的有场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：经由公式C_max＝C₁求得所述磁流变阻尼器活塞上下两端的最大压差系数C_max，其中，C₁为第一压差系数，η为磁流变液的零场粘度，L_o为所述常通孔的高度，d_o为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数；

步骤2：经由公式求得有场阻尼力系数C_l-，其中，A_p为所述活塞的端面有效面积。

一种所述的磁流变阻尼器的阻尼力求取方法，其特征在于，它包括如下步骤：

若所述励磁线圈不通入电流，则阻尼力F_d经由公式F_d＝C_l+·v_d求得；

若所述励磁线圈通入最大电流值，则阻尼力F_d经由公式 $F_d=\left\{\begin{array}{cc}{C}_{l-}{v}_d& v_d\≤v_{d0}\\ C_{l+}{v}_d+F_{\mathrm{dl}}& v_d>v_{d0}\end{array}\right.$ 求得；

其中：

v_d为所述活塞的相对速度，

C_l+为零场阻尼力系数，

C_l-为有场阻尼力系数，

F_dl为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的临界阻尼力，F_dl＝ΔP_lA_p·C₁/(C₁+C₂)，

ΔP_l为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的临界压差， $\mathrm{\Δ}{P}_l=\frac{{3L}_{\mathrm{MR}}{\mathrm{\τ}}_y}{h},$

v_d0为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的活塞临界速度，v_d0＝Q_l/A_p，Q_l为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服时，等效流经n个所述常通孔的磁流变液流量，

A_p为所述活塞的端面有效面积，C₁为第一压差系数，C₂为第二压差系数，η为磁流变液的零场粘度，L_o为所述常通孔的高度，d_o为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数，L_g为所述环形阻尼通道的总高度，R_m为所述环形阻尼通道的中径，h为所述环形阻尼通道的宽度，τ_y为磁流变液在磁场强度下的屈服强度，L_MR为所述环形阻尼通道的有效长度。

本发明的优点是：

本发明磁流变阻尼器因并联设计有常通孔，因而在通入的电流为零时，磁流变液从常通孔和环形阻尼通道中流过，从而实现了最小阻尼力，对应着零场阻尼力系数C_l+，在通入的电流加载至最大值(额定最大电流值)时，在环形阻尼通道(感应通道)中的磁流变液屈服前，磁流变液仅从常通孔中流过，实现了最大阻尼力，对应着有场阻尼力系数C_l-，与此同时不会因环形阻尼通道的完全堵死而带来瞬间冲击，避免引起“颤振”。

而若本发明磁流变阻尼器的活塞两端的压差过大，则环形阻尼通道(缝隙)中的磁流变液会屈服流动泄压，起到了过载保护的作用。

在本发明中，导磁保护环的设计增大了环形阻尼通道中形成的感应磁场的长度，提高了磁流变阻尼器的可控性，隔磁保护环避免了磁力线通过自身直接形成回路，使磁力线穿过环形阻尼通道，而导磁保护环与隔磁保护环的共同设计使得励磁线圈避免受到高压磁流变液的冲刷，进一步提高了磁流变阻尼器的可靠性。

本发明磁流变阻尼器尤其适用于与开关控制策略相结合，用于结构振动的半主动控制时，零场阻尼力系数(最小阻尼力)对应着零电流，有场阻尼力系数(最大阻尼力)对应着最大电流值，因此只需依据开关控制策略，在零电流与最大电流值两者之间切换，即可避免建立复杂的逆向力学模型及对模型的求解，极大简化了控制过程，具有很好的实际应用价值。

本发明阻尼力求取方法基于本发明磁流变阻尼器的零场阻尼力系数、有场阻尼力系数求取方法确定出的零场阻尼力系数、有场阻尼力系数求出，整个求取过程简单、不复杂、快速，可迅速地实现对阻尼力的控制。

附图说明

图1是已有的磁流变阻尼器的结构振动控制过程示意图。

图2是本发明磁流变阻尼器的一较佳实施例的结构示意图。

图3是本发明磁流变阻尼器的另一实施例的结构示意图。

图4是当通入的电流为零时，本发明磁流变阻尼器较佳实施例中的磁流变液的流向说明图。

图5是当通入的电流为最大值时，本发明磁流变阻尼器较佳实施例中的磁流变液的流向说明图。

图6是阻尼力F_d与活塞的相对速度v_d之间的关系图。

具体实施方式

如图2至图3，本发明并联常通孔式磁流变阻尼器包括中空缸体10，该缸体10内滑动设有活塞，该活塞的一端固接有活塞杆22，该活塞杆22从该缸体10一端开口中伸出，例如，活塞杆22可通过螺接或过盈配合方式与活塞固定连接在一起，该活塞经由该活塞杆22的带动而在该缸体10内滑动，其中：该活塞包括圆柱状铁芯21，该铁芯21的侧壁(外圆侧壁)上凹设有至少一圈环形线槽215，各该环形线槽215内缠绕有励磁线圈211，励磁线圈211经由导线30与外部相应供电设备(图中未示出)连接，该励磁线圈211的外部套设有一圈隔磁保护环213，在该隔磁保护环213的两侧、该铁芯21的侧壁上套设有圆环状导磁保护环214(导磁保护环214与铁芯21采用过盈配合)，也就是说，除了励磁线圈211上覆盖有隔磁保护环213外，铁芯21侧壁的其它部位均被导磁保护环214覆盖，导磁保护环214与隔磁保护环213间隔地套设在铁芯21侧壁外，该隔磁保护环213和该导磁保护环214与该缸体10的内壁之间存在缝隙，该缝隙形成环形阻尼通道40，一般地，导磁保护环214与隔磁保护环213的外表面共同构成一个柱面而与缸体10内壁之间形成一个具有一定宽度的缝隙，沿铁芯轴向方向，该铁芯21上开设有至少一个常通孔212，该常通孔212与环形阻尼通道40之间为并联关系。

在实际设计中，活塞上可安装有活塞导向(图中未示出)，该活塞导向用于活塞在滑动过程中保证环形阻尼通道40(缝隙)宽度不变。一般地，双出杆磁流变阻尼器不需要设置活塞导向，单出杆磁流变阻尼器设置活塞导向。

当开设多个常通孔212时，该多个常通孔212在铁芯21上以中心轴均匀分布。图2和图3中仅示意性地示出了一个常通孔212。

在实际设计时，铁芯21上缠绕的励磁线圈211的数量可根据铁芯21的轴向尺寸来合理设计，缠绕多个励磁线圈211的做法可以提高励磁线圈的效率以及铁芯21的磁通能力，如图3，图中示出的铁芯21上缠绕了两组励磁线圈211。

当铁芯21上设有两个或两个以上的环形线槽215时，相邻的两个环形线槽215相隔设定间距，各环形线槽215内缠绕的励磁线圈211之间为并联反串连接。

如图2、图3，导磁保护环214的侧部、隔磁保护环213的侧部可设有台阶结构，以便于装配定位，且装配时，隔磁保护环213的台阶结构上可涂有密封胶，以便使励磁线圈211与环形阻尼通道40内流过的磁流变液相互隔离开来。

在实际设计中，环形阻尼通道40构成的缝隙可在0.5毫米-2毫米之间，常通孔212的孔径(直径)没有限制，其大小应根据所需阻尼力大小来合理设定，一般常通孔212为圆孔，但并不局限于此。

在实际设计中，励磁线圈211的外部可局部或全部被套设的隔磁保护环213覆盖，励磁线圈211的外部与套设的隔磁保护环213之间可能具有一定间隙。需要说明的是，由于励磁线圈211的轴向长度一般都大于5毫米，故隔磁保护环213的轴向长度设计为5毫米左右，即可避免磁力线通过隔磁保护环213直接形成回路。

在实际设计中，铁芯21、导磁保护环214、缸体10为碳钢或电工纯铁等导磁性能较好的材料制成，隔磁保护环213为铜或铝合金等非导磁材料制成。

在本发明中，经过导磁保护环214和隔磁保护环213的封装后，一方面，导磁保护环214增大了环形阻尼通道40产生的感应磁场长度，从而增大了可控阻尼力的范围，另一方面，隔磁保护环213避免了磁力线通过自身直接形成回路，而隔磁保护环213与导磁保护环214还可使得励磁线圈211避免受到高压磁流变液的冲刷，以提高本发明磁流变阻尼器的可靠性。

如图，在该铁芯21、活塞杆22上可分别相应开设有用于容置导线30的孔洞216、孔洞221，以使励磁线圈211引出的导线30经由铁芯21、活塞杆22上的孔洞216、221而与外部相应供电设备连接。

本发明磁流变阻尼器的工作原理和过程为：

当通入的电流为零，即励磁线圈211不通电时，磁流变液以牛顿流体的形态顺利地从常通孔212和环形阻尼通道40中流过(如图4所示箭头)，使得本发明磁流变阻尼器对外表现为最小阻尼力，对应产生零场阻尼系数C_l+。

当通入的电流为最大值(额定最大电流值)，即励磁线圈211加载最大电流值后，由于铁芯21材料的导磁率远大于磁流变液的导磁率，因此在铁芯21的磁密没有过饱和的条件下，磁力线从铁芯21上通过，而常通孔212中的磁流变液不会被磁化发生流变效应，即使被磁化，磁力线也与常通孔212中的磁流变液的流动方向平行，不会阻碍磁流变液的流动。而磁力线必定会垂直穿过环形阻尼通道40，使得环形阻尼通道40中的磁流变液发生流变效应而“固化”(图5中黑色部分表示磁流变液固化)，因此磁流变液此时仅能从常通孔212中流过(如图5所示箭头)，使得本发明磁流变阻尼器对外表现为最大阻尼力，对应产生有场阻尼系数C_l-。

而当活塞上下两端的压差足够大时，环形阻尼通道40中的磁流变液屈服后才能从环形阻尼通道40中流过，可见，环形阻尼通道40与限压阀的功能类似，充当了限压阀。

故而本发明磁流变阻尼器在用于结构振动的半主动控制时，只需依据开关控制策略，在零电流与最大电流值两者之间切换即可实现对阻尼力的控制，避免了复杂的逆向力学模型的建立及求解，控制过程简单、实用。

对于上述本发明磁流变阻尼器，本发明提出了一种求取其零场阻尼力系数C_l+的方法，具体步骤如下：

步骤1：经由公式求得磁流变阻尼器活塞上下两端的最小压差系数C_min，其中，C₁为第一压差系数，C₂为第二压差系数， η为磁流变液的零场粘度，L_o为常通孔212的高度，d_o为常通孔212的孔径，n为常通孔212的总个数，L_g为环形阻尼通道40的总高度，R_m为环形阻尼通道40的中径，h为环形阻尼通道40的宽度；

步骤2：经由公式求得零场阻尼力系数C_l+，其中，A_p为活塞的端面有效面积。

本发明磁流变阻尼器的零场阻尼力系数C_l+的求取推导过程如下：

假设本发明磁流变阻尼器并联开设有n个圆柱状常通孔212，则若单独由这n个常通孔212形成阻尼时，活塞上下两端的压差ΔP为：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{128\mathrm{\η}{L}_{o}Q}{\mathrm{n\π}{d}_o^4}=C_1\·Q---1)$

式1)中，η为磁流变液的零场粘度，Q为流经活塞的磁流变液流量，L_o为常通孔212的高度，d_o为常通孔212的孔径(直径)，C₁为第一压差系数。

对于环形阻尼通道40来说，假设其磁感应强度为零，则单独由其形成阻尼时，活塞上下两端的压差ΔP为：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{6\mathrm{\η}{L}_{g}Q}{\mathrm{\π}{R}_m{h}^3}=C_2\·Q---2)$

式2)中，η为磁流变液的零场粘度，L_g为环形阻尼通道40的总高度，Q为流经活塞的磁流变液流量，R_m为环形阻尼通道40的中径，h为环形阻尼通道40的宽度(也可称厚度)，C₂为第二压差系数。

这里需要提及的是，流经活塞的磁流变液流量Q是指流过n个常通孔212和/或环形阻尼通道40缝隙的磁流变液流量，其在不同情况下含义不同。

另外需要提及的是，在实际设计中，环形阻尼通道40的总高度L_g可能等于常通孔212的高度L_o，也可能不等于常通孔212的高度L_o，这要视隔磁保护环213和导磁保护环214与缸体10内壁之间构成的环形阻尼通道40的实际情况。在本发明中，环形阻尼通道40的总高度L_g的确定与求取属于本领域技术人员应掌握的熟知技术。例如，图4中示出的是环形阻尼通道40的总高度L_g等于常通孔212的高度L_o的情形。

于是，不加磁场时，环形阻尼通道40与常通孔212并联后，磁流变阻尼器的最小压差系数C_min经由下式3)求出：

$C_{\min }=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}---3)$

因此，不加磁场时，本发明磁流变阻尼器的零场阻尼力系数C_l+为：

$C_{1+}=C_{\min }{A}_p^2---4)$

式4)中，A_p为活塞的端面有效面积，一般地，是指图2中活塞下端的有效面积。

相应地，此时的本发明磁流变阻尼器的阻尼力为：

F_d＝C_l+·v_d(B＝0)      5)

式5)中，v_d为活塞的相对速度，即活塞相对于缸体10的运动线速度。

对于上述本发明磁流变阻尼器，本发明还提出了一种求取其有场阻尼力系数C_l-的方法，具体步骤如下：

步骤1：经由公式C_max＝C1求得磁流变阻尼器活塞上下两端的最大压差系数C_max，其中，C₁为第一压差系数，η为磁流变液的零场粘度，L_o为常通孔212的高度，d_o为常通孔212的孔径，n为常通孔212的总个数；

步骤2：经由公式求得有场阻尼力系数C_l-，其中，A_p为活塞的端面有效面积。

本发明磁流变阻尼器的有场阻尼力系数C_l-的求取推导过程如下：

假设本发明磁流变阻尼器并联开设有n个圆柱状常通孔212。当励磁线圈211加载了最大电流值后，环形阻尼通道40内的磁流变液在屈服前，该环形阻尼通道40相当于被堵住，磁流变液全部从n个常通孔212流过，显然，此时活塞上下两端仅存在压差因此，加磁场时，磁流变阻尼器的最大压差系数C_max经由下式6)求出：

C_max＝C₁      6)

于是，加磁场时，本发明磁流变阻尼器的有场阻尼力系数C_l-为：

$C_{l-}=C_{\max }{A}_p^2---7)$

式7)中，A_p为活塞的端面有效面积。

继续分析与推导，当加磁场时，使环形阻尼通道40内的磁流变液开始屈服的临界压差ΔP_l为：

${\mathrm{\ΔP}}_l=\frac{{3L}_{\mathrm{MR}}{\mathrm{\τ}}_y}{h}---8)$

式8)中，τ_y为磁流变液在磁场强度下的屈服强度，L_MR为环形阻尼通道40的有效长度，h为环形阻尼通道40的宽度。

需要提及的是，环形阻尼通道40的有效长度L_MR是指环形阻尼通道40中产生感应磁场部分的长度之和。例如，隔磁保护环213对应的环形阻尼通道40部分不产生感应磁场，那么，有效长度L_MR可通过环形阻尼通道40的总高度L_g减去隔磁保护环213对应的不产生感应磁场的环形阻尼通道部分求得，L_o＞L_MR。在本发明中，环形阻尼通道40的有效长度L_MR的确定与求取属于本领域技术人员应掌握的熟知技术。

令n个常通孔212单独形成阻尼时的压差ΔP等于环形阻尼通道40内的磁流变液产生屈服时的临界压差ΔP_l，于是由式1)可得此时等效流经n个常通孔212的磁流变液流量Q_l为：

$Q_l=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_l}{C_1}=\frac{{3L}_{\mathrm{MR}}{\mathrm{\τ}}_y}{h}\·\frac{{\mathrm{n\πd}}_o^4}{128\mathrm{\η}{L}_o}---9)$

基于式9)分析，得出结论：当流经活塞的磁流变液流量Q小于流量Q_l时，磁流变液仅从常通孔212流过，此时活塞上下两端的压差小于临界值ΔP_l；当流经活塞的磁流变液流量Q大于流量Q_l时，活塞上下两端的压差超过临界值ΔP_l，环形阻尼通道40内的磁流变液屈服而使环形阻尼通道40导通，环形阻尼通道40与常通孔212一起形成并联的阻尼通道，此时，假设流经环形阻尼通道40的磁流变液流量为Q₁，流经n个常通孔212的磁流变液流量为Q₂，Q为总流量，于是根据阻尼通道两端的压差相等得到下式10)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{6\mathrm{\ηL}}_g{Q}_1}{{\mathrm{\πR}}_m{h}^3}+\frac{{3L}_{\mathrm{MR}}{\mathrm{\τ}}_y}{h}=\frac{128\mathrm{\η}{L}_o{Q}_2}{n{\mathrm{\πd}}_o^4}\\ Q_1+Q_2=Q\end{array}\right.---10)$

由式10)求得Q₂而后代入式1)可得：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}\·Q+\frac{C_1}{C_1+C_2}\·{\mathrm{\ΔP}}_l,(Q\≥Q_l)---11)$

式11)即表示出了环形阻尼通道40内的磁流变液屈服后，活塞两端压差ΔP与流经活塞的磁流变液流量Q之间的关系。对11)中的总流量Q求导，得到下式12)：

$\frac{d\left(\mathrm{\ΔP}\right)}{\mathrm{dQ}}=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}=C_{\min }---12)$

由式12)可知，当环形阻尼通道40内的磁流变液屈服后，活塞两端压差ΔP与流经活塞的磁流变液流量Q之间的关系斜率等于不加磁场时，磁流变阻尼器的最小压差系数C_min。

于是可得，有磁场(B≠0)时，具有并联的常通孔212的本发明磁流变阻尼器的阻尼力F_d为：

$F_d=\left\{\begin{array}{cc}{C}_{l-}{v}_d& Q=A_p{v}_d\≤Q_l\\ C_{l+}{v}_d+F_{\mathrm{dl}}& Q=A_p{v}_d>Q_1\end{array}\right.---13)$

式13)中，F_dl为加磁场时使环形阻尼通道40内的磁流变液开始屈服的临界阻尼力，F_dl＝ΔP_lA_p·C₁/(C₁+C₂)。

在本发明中，式5)是上式13)在Q_l＝0条件下的特殊情况，因此，基于式13)便可表示出具有并联的常通孔212的本发明磁流变阻尼器的阻尼力F_d与活塞的相对速度v_d之间的关系。

上式13)可等效于下式14)：

$F_d=\left\{\begin{array}{cc}{C}_{l-}{v}_d& v_d\≤v_{d0}\\ C_{l+}{v}_d+F_{\mathrm{dl}}& v_d>v_{d0}\end{array}\right.---14)$

式14)可表达为图6，图6中表示出了式14)中阻尼力F_d与活塞的相对速度v_d之间的关系。在实际中，临界阻尼力F_dl由环形阻尼通道40中的磁场强度决定，进而决定了活塞的临界速度v_d0。如图6，当活塞的相对速度v_d低于临界速度v_d0时，阻尼力F_d与活塞的相对速度v_d之间以斜率C_l-上升，当活塞的相对速度v_d高于临界速度v_d0时，阻尼力F_d与活塞的相对速度v_d之间以斜率C_l+上升。

基于上述分析可以得出，本发明磁流变阻尼器的阻尼力的求取方法包括如下步骤：

若励磁线圈211不通入电流，即此时不存在磁场，则本发明磁流变阻尼器的阻尼力F_d经由公式F_d＝C_l+·v_d求得；

若励磁线圈211通入最大电流值，即此时存在磁场，则本发明磁流变阻尼器的阻尼力F_d经由公式 $F_d=\left\{\begin{array}{cc}{C}_{l-}{v}_d& v_d\≤v_{d0}\\ C_{l+}{v}_d+F_{\mathrm{dl}}& v_d>v_{d0}\end{array}\right.$ 求得；

其中：

v_d为活塞的相对速度，

C_l+为零场阻尼力系数， $C_{l+}=C_{\min }{A}_p^2=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}\·A_p^2,$

C_l-为有场阻尼力系数， $C_{l-}=C_{\max }{A}_p^2=C_1{A}_p^2,$

F_dl为加磁场时使环形阻尼通道40内的磁流变液开始屈服的临界阻尼力，F_dl＝ΔP_lA_p·C₁/(C₁+C₂)，

ΔP_l为加磁场时使环形阻尼通道40内的磁流变液开始屈服的临界压差， $\mathrm{\Δ}{P}_l=\frac{3L_{\mathrm{MR}}{\mathrm{\τ}}_y}{h},$

v_d0为加磁场时使环形阻尼通道40内的磁流变液开始屈服的活塞临界速度，v_d0＝Q_l/A_p，Q_l为加磁场时使环形阻尼通道40内的磁流变液开始屈服时，等效流经n个常通孔212的磁流变液流量，

A_p为活塞的端面有效面积，C₁为第一压差系数，C₂为第二压差系数，η为磁流变液的零场粘度，L_o为常通孔212的高度，d_o为常通孔212的孔径，n为常通孔212的总个数，L_g为环形阻尼通道40的总高度，R_m为环形阻尼通道40的中径，h为环形阻尼通道40的宽度，τ_y为磁流变液在磁场强度下的屈服强度，L_MR为环形阻尼通道40的有效长度。

在本发明中需要说明的是，励磁线圈211通入的电流最大值为额定最大电流值，该最大值的大小视对本发明磁流变阻尼器输出的阻尼力需求而合理设定。

本发明的优点是：

本发明磁流变阻尼器因并联设计有常通孔，因而在通入的电流为零时，磁流变液从常通孔和环形阻尼通道中流过，从而实现了最小阻尼力，对应着零场阻尼力系数C_l+，在通入的电流加载至最大值(额定最大电流值)时，在环形阻尼通道(感应通道)中的磁流变液屈服前，磁流变液仅从常通孔中流过，实现了最大阻尼力，对应着有场阻尼力系数C_l-，与此同时不会因环形阻尼通道的完全堵死而带来瞬间冲击，避免引起“颤振”。

而若本发明磁流变阻尼器的活塞两端的压差过大，则环形阻尼通道(缝隙)中的磁流变液会屈服流动泄压，起到了过载保护的作用。

在本发明中，导磁保护环的设计增大了环形阻尼通道中形成的感应磁场的长度，提高了磁流变阻尼器的可控性，隔磁保护环避免了磁力线通过自身直接形成回路，使磁力线穿过环形阻尼通道，而导磁保护环与隔磁保护环的共同设计使得励磁线圈避免受到高压磁流变液的冲刷，进一步提高了磁流变阻尼器的可靠性。

本发明磁流变阻尼器尤其适用于与开关控制策略相结合，用于结构振动的半主动控制时，零场阻尼力系数(最小阻尼力)对应着零电流，有场阻尼力系数(最大阻尼力)对应着最大电流值，因此只需依据开关控制策略，在零电流与最大电流值两者之间切换，即可避免建立复杂的逆向力学模型及对模型的求解，极大简化了控制过程，具有很好的实际应用价值。

本发明阻尼力求取方法基于本发明磁流变阻尼器的零场阻尼力系数、有场阻尼力系数求取方法确定出的零场阻尼力系数、有场阻尼力系数求出，整个求取过程简单、不复杂、快速，可迅速地实现对阻尼力的控制。

以上是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并联常通孔式磁流变阻尼器，其特征在于：它包括缸体，该缸体内滑动设有活塞，该活塞的一端固接有活塞杆，该活塞杆从该缸体一端开口中伸出，其中：该活塞包括铁芯，该铁芯的侧壁上凹设有至少一圈环形线槽，各该环形线槽内缠绕有励磁线圈，该励磁线圈的外部套设有隔磁保护环，在该隔磁保护环的两侧、该铁芯的侧壁上套设有导磁保护环，该隔磁保护环和该导磁保护环与该缸体的内壁之间存在缝隙，该缝隙形成环形阻尼通道，沿轴向方向，该铁芯上开设有至少一个常通孔。

2.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

所述活塞上安装有活塞导向。

3.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

当开设多个所述常通孔时，该多个所述常通孔在所述铁芯上以中心轴均匀分布。

4.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

当所述铁芯上设有两个或两个以上的所述环形线槽时，各所述环形线槽内缠绕的所述励磁线圈之间为并联反串连接。

5.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

所述环形阻尼通道构成的缝隙在0.5毫米-2毫米之间。

6.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

所述隔磁保护环的轴向长度约为5毫米。

7.如权利要求1至6中任一项所述的磁流变阻尼器，其特征在于：

所述铁芯、所述导磁保护环、所述缸体为碳钢或电工纯铁材料制成，所述隔磁保护环为铜或铝合金材料制成。

8.一种权利要求1所述的磁流变阻尼器的零场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：经由公式求得所述磁流变阻尼器活塞上下两端的最小压差系数C_min，其中，C₁为第一压差系数，C₂为第二压差系数， η为磁流变液的零场粘度，L_o为所述常通孔的高度，d_o为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数，L_g为所述环形阻尼通道的总高度，R_m为所述环形阻尼通道的中径，h为所述环形阻尼通道的宽度；

步骤2：经由公式求得零场阻尼力系数C_l+，其中，A_p为所述活塞的端面有效面积。

9.一种权利要求1所述的磁流变阻尼器的有场阻尼力系数求取方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：经由公式C_max＝C₁求得所述磁流变阻尼器活塞上下两端的最大压差系数C_max，其中，C₁为第一压差系数，η为磁流变液的零场粘度，L_o为所述常通孔的高度，d_o为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数；

步骤2：经由公式求得有场阻尼力系数C_l-，其中，A_p为所述活塞的端面有效面积。

10.一种权利要求1所述的磁流变阻尼器的阻尼力求取方法，其特征在于，它包括如下步骤：

若所述励磁线圈不通入电流，则阻尼力F_d经由公式F_d＝C_l+·v_d求得；

若所述励磁线圈通入最大电流值，则阻尼力F_d经由公式 $F_d=\left\{\begin{array}{cc}{C}_{l-}{v}_d& v_d\≤v_{d0}\\ C_{l+}{v}_d+F_{\mathrm{dl}}& v_d>v_{d0}\end{array}\right.$ 求得；

其中：

v_d为所述活塞的相对速度，

C_l+为零场阻尼力系数，

C_l-为有场阻尼力系数，

F_dl为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的临界阻尼力，F_dl＝ΔP_lA_p·C₁/(C₁+C₂)，

ΔP_l为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的临界压差， ${\mathrm{\ΔP}}_l=\frac{{3L}_{\mathrm{MR}}{\mathrm{\τ}}_y}{h},$

v_d0为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服的活塞临界速度，v_d0＝Q_l/A_p，Q_l为加磁场时使所述环形阻尼通道内的磁流变液开始屈服时，等效流经n个所述常通孔的磁流变液流量，

A_p为所述活塞的端面有效面积，C₁为第一压差系数，C₂为第二压差系数，η为磁流变液的零场粘度，L_o为所述常通孔的高度，d_o为所述常通孔的孔径，n为所述常通孔的总个数，L_g为所述环形阻尼通道的总高度，R_m为所述环形阻尼通道的中径，h为所述环形阻尼通道的宽度，τ_y为磁流变液在磁场强度下的屈服强度，L_MR为所述环形阻尼通道的有效长度。