磁流变弹性体隔振器隔振控制与实验研究_马伟佳.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 8 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol.39 No. 8 2020 基金项目 国家自然科学基金51675280 收稿日期 2018 -09 -19 修改稿收到日期 2018 -12 -24 第一作者 马伟佳 男,硕士生,1994 年生 通信作者 黄学功 男,博士,副研究员,1970 年生 磁流变弹性体隔振器隔振控制与实验研究 马伟佳, 黄学功, 汪辉兴, 张 广, 王 炅 南京理工大学 机械工程学院,南京 210094 摘 要为了更好地对磁流变弹性体隔振器的隔振性能及其控制策略进行研究。 通过基于扫频激励的实验测试 了磁流变弹性体隔振器的移频特性,证明了磁流变弹性体隔振器具有较宽的移频范围。 基于磁流变弹性体隔振器的移频 特性,提出了针对扫频激励的 on-off 控制策略。 使用了基于变阻尼、变刚度的 on-off 控制策略,并将其应用于简谐激励和 随机激励。 通过实验研究证明,在控制策略的控制下,磁流变弹性体隔振器对于不同的激励形式都有着很好的隔振效果。 该研究可以为磁流变弹性体隔振器的工程应用奠定基础。 关键词 磁流变弹性体MRE隔振器;移频特性;扫频激励;简谐激励;随机激励;on-off 控制策略;隔振实验 中图分类号 TH113. 1 文献标志码 ADOI10. 13465/ j. cnki. jvs. 2020. 08. 017 Vibration isolation control and an experimental study of magnetorheological elastomer isolators MA Weijia, HUANG Xuegong, WANG Huixing, ZHANG Guang, WANG Jiong School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China Abstract In order to study the vibration isolation perance and control strategy of a magnetorheological elastomer isolator. The frequency shift characteristic of a magnetorheological elastomer isolator was tested by experiments based on sweep excitation. It is proved that the magnetorheological elastomer isolator possesses a wide frequency shift range. Based on the frequency shift characteristic curve of the magnetorheological elastomer isolator, an on-off control strategy for sweeping excitation was proposed. The on-off control strategy based on variable damping and stiffness was applied to harmonic and random excitation. The experimental results prove that the magnetorheological elastomer isolator has great vibration isolation effect for different s of excitation under control strategy. The above works lay a foundation for the engineering application of magnetorheological elastomer isolators. Key words magnetorheological elastomer MRE isolator; frequency shift characteristic; sweeping excitation; harmonic excitation; random excitation; on-off control strategy; vibration isolation experiment 目前所使用的隔振方式主要有三种被动隔振、主 动隔振和半主动隔振[1],被动隔振因其结构简单和稳 定性高而被广泛应用[2],但是被动隔振存在工作频带 窄、适应性差的缺点,在振动条件变动很大的工作环境 下将丧失其隔振作用[3];主动隔振具有很好的隔振效 果,但是却存在能量消耗大和结构复杂的缺点[4 -5],并 且其隔振效果的好坏严重依赖于其控制系统;半主动 隔振具有结构较为简单、能量消耗小和适应性强的特 点,所以半主动隔振兼具主动隔振和被动隔振的优点, 因此近年来受到了广泛的关注。 磁 流 变 弹 性 体 Magnetorheological Elastomer, MRE是磁流变材料的一个分支,它是由软铁磁性颗粒 和聚合物基体组成,它的力学、电学等性能可由外加磁 场控制[6 -8]。 由于它具有磁流变材料的优点响应快、 可逆性好、可控能力强[9],并且克服了磁流变液易沉 降、稳定性差、密封要求高等缺点[10 -11],同时还有着比 磁流变液更宽的移频频带[12],因此 MRE 在半主动隔振 上有着很好的应用前景。 以 MRE 为核心元件的磁流 变弹性体隔振器经过近年的发展,已经有众多的学者 对磁流变弹性体隔振器进行了研究。 其中,Ginder 等[13]设计了第一个剪切模式的磁流变弹性体可调谐式 隔振器,当外加磁场从 0 mT 增加到 560 mT 时,该隔振 器的谐振频率由 500 Hz 增加到 600 Hz;Ni 等[14]利用 磁流变弹性体研制了刚度和阻尼均可控的减振器,该 减振器具有结构简单及刚度和阻尼均可控等优点;夏 永强等[15]开展了基于磁流变技术的隔振缓冲器的研 ChaoXing 究,设计了三明治式的磁流变弹性体隔振缓冲器,并通 过高低频激振试验发现,在 200 400 Hz 频率范围内, 施加电流越大,其隔振效果越好,达到了可控减振的效 果;Zhao 等[16]设计了一款面向横向振动的磁流变弹性 体隔振器,并且进行了正弦激励下的模糊控制实验研 究,实验结果表明,模糊控制对于正弦激励具有很好的 隔振效果。 然而,目前应用磁流变弹性体隔振器进行 半主动隔振的研究大多为器件的研究和正弦激励下的 控制研究,对所设计的隔振器在不同类型激励下的隔 振控制研究较少。 本文基于 MRE 的刚度可控特性,通过基于扫频激 励的实验,测试了磁流变弹性体隔振器的移频特性。 基于磁流变弹性体隔振器的移频特性曲线,提出扫频 激励下的 on-off 控制策略。 使用了基于变刚度、变阻尼 的 on-off 控制策略,并将其应用于简谐激励和随机激 励。 最后,通过隔振实验来验证磁流变弹性体隔振器 在控制策略下的隔振效果。 1 磁流变弹性体隔振器的结构 图 1 为课题组所设计的磁流变弹性体隔振器的实 物图。 MRE 工作于剪切模式,相比于工作于挤压模式 的磁流变弹性体隔振器,有着更大的磁流变效应[17]。 两片剪切受力的 MRE 作为半主动隔振元件,弹簧作为 被动隔振元件,使得其在具有半主动隔振器优点的同 时又进一步增加了其稳定性。 下导磁体和上导磁体共 同构成 C 型导磁回路,并且在其上面缠绕一定量的线 圈,通过对施加于线圈上电流的控制来控制施加于两 片 MRE 的磁场强度,进而实时改变 MRE 的力学特性。 两片 MRE 与支撑块构成三明治结构并通过夹紧机构 固定于上导磁体上面,支撑块与两片 MRE 构成剪切工 作模式,起到半主动隔振作用。 支撑块与下导磁体通 过弹簧连接,起到被动隔振作用。 图 1 半主动磁流变弹性体隔振器 Fig. 1 Magnetorheological elastomer isolator 2 磁流变弹性体隔振器的移频特性 由于磁流变弹性体隔振器的固有频率随着外加磁 场连续、快速的变化,为了更好的研究其隔振性能及其 隔振控制规律,有必要进行相应的实验来对其移频特 性进行研究。 2. 1 实验平台的搭建 如图 2 所示,实验平台包括加速度传感器、磁流变 弹性体隔振器、信号发生器、直流电源、继电器、功率放 大器、电荷放大器、动态测试分析系统、PC、DSP 控制 器、激振器、质量块、激光位移传感器 1 和激光位移传 感器 2。 在移频特性实验中,激光位移传感器 1、激光 位移传感器 2、DSP 控制器不起作用,继电器为常闭状 态,由信号发生器产生扫频激励信号,经由功率放大器 放大后驱动激振台进行振动,磁流变弹性体隔振器安 装于激振台上,隔振器上固连一质量块,经由隔振器 隔振后的振动作用于质量块,质量块上安装加速度 传感器以获取质量块的加速度信息,经电荷放大器 实现电荷电压转换并放大,所得到的加速度电压信 号进入动态测试分析系统,经由动态测试分析系统 处理后传入 PC。 直流电源为隔振器上的线圈施加 励磁电流。 图 2 实验平台 Fig. 2 Experiment plat 2. 2 移频特性实验结果与分析 设置信号发生器产生15 100 Hz 的正弦扫频激励 信号,测试0 A,0.5 A,1 A,1. 5 A,2 A 这 5 种励磁电流 作用下质量块的加速度响应,图 3a 图 3e为不同 励磁电流下质量块的加速度响应光谱图,所显示的加速 度峰值出现的频率分别为38.71 Hz,45.64 Hz,57.31 Hz, 62. 26 Hz,62. 38 Hz。 因此,可以得出在 0 2 A 的范围 内加速度峰值出现的频率随着励磁电流的增加而增 加,即隔振器和质量块这一整体结构的固有频率在 0 2 A 的范围随着电流的增加而发生了明显的频移,由 0 A时的 38. 71 Hz 2 A 时的 62. 38 Hz,移频达 61, 并且1. 5 A 和2 A 时的固有频率非常接近,说明隔振器 上的 MRE 在 1. 5 2 A 的某一个电流值处达到了磁饱 和状态。 911第 8 期 马伟佳等 磁流变弹性体隔振器隔振控制与实验研究 ChaoXing 图 3 加速度响应光谱图 Fig. 3 Acceleration responses spectrums 3 控制策略 由于磁流变弹性体隔振器在不同的激励形式下需 要不同的控制策略,为了更好地实现对磁流变弹性体 隔振器的控制,须设计不同的控制策略以应对不同的 激励形式,尤其是最常见的扫频激励、简谐激励和随机 激励。 3. 1 扫频激励下控制策略 电机等周期性运转的设备在加速和减速过程中会 产生扫频激励,所以有必要研究扫频激励下隔振器的 隔振控制策略。 图 4 为不同电流下的加速度响应频谱图。 从该图 中可以看出0 A 时的曲线加速度峰值出现的频率为 38. 71 Hz,2 A 时的曲线加速度峰值出现的频率为 62. 38 Hz,并且两条曲线相交于 47. 11 Hz,当振动频率 小于 47. 11 Hz 时,2 A 的曲线加速度最小,当振动频率 大于 47. 11 Hz 时,0 A 的曲线加速度最小。 所以当激 励频率小于 47. 11 Hz 时,施加 2 A 的电流可以最大程 度的使隔振器结构的固有频率远离激励频率,使响应 加速度最小;当激励频率大于47. 11 Hz 时,励磁电流为 0 A 可以最大程度的使隔振器结构的固有频率远离激 励频率,使响应加速度最小,因此可以提出基于移频特 性的 on-off 控制策略 I 2 A, f ≤ f0 0 A, f f0 { 1 式中 f 为激励频率; f0为 on-off 控制阈值频率,该阈值 为 0 A 电流状态和饱和电流状态的响应加速度频谱曲 线交点处的频率值隔振器安装在不同的结构时阈值 频率会不同,本文 f0为 47. 11 Hz。 图 4 不同电流下的加速度响应频谱图 Fig. 4 Acceleration responses spectrums at different currents 3. 2 简谐激励和随机激励下控制策略 针对电机等周期性运转的设备在正常运转时产生 的简谐激励,若激励频率远离阈值频率,则可以通过加 载恒定电流或被动隔振进行隔振,其隔振原理和效果 与扫频激励隔振一致;若激励频率接近阈值频率,则需 要应用新的控制策略来实现隔振。 针对常见的随机激 励,同样需要相应的控制策略来实现隔振。 基于 MRE 的变刚度、变阻尼特性,可以结合 on-off 阻尼控制和 on-off 刚度控制[18 -19]设计出一种 on-off 控 制策略 k kmaxand c cmax, if RDRV ≥ 0 k kminand c cmin, if RDRV 0 { 2 其中 kmin和 kmax分别为隔振系统的最小刚度和最大刚 度; cmin和 cmax分别为隔振系统的最小阻尼和最大阻尼; RV 和 RD 分别为负载相对于基座的相对速度和相对 位移。 RDRV 0 表示负载正在接近平衡位置,隔振器 提供最小的阻尼系数,有助于使得负载快速回到平衡 位置; RDRV≥0 表明负载正在远离平衡位置,此时, 选择最大的阻尼系数有助于抑制这种趋势。 通过阻尼 控制,可以使得隔振器尽可能地保持在平衡位置。 在 阻尼控制的基础上,增加了刚度控制,控制机理可以由 图 5 说明[20]。 在控制前,力变形曲线与 x 轴所围成的 面积始终为零,也就是弹性力耗散的能量为 0。 在增加 刚度 on-off 控制后,力变形曲线与 x 轴围成的面积不为 零,即出现了能量的耗散,可以减小振动能量从振源到 负载的传递。 图 5 on-off 刚度控制基本原理 Fig. 5 Stiffness on-off control schematic 021振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing 在本隔振系统中,隔振器的阻尼和刚度与励磁 电流均为正相关,因此,随机激励和激励频率接近阈 值频率的简谐激励下的 on-off 控制策略可以进一步 表示为 I 2 A, RDRV ≥ 0 0 A, RDRV 0 { 3 4 隔振实验与结果分析 为了验证磁流变弹性体隔振器在 on-off 控制策略 下的隔振效果,分别针对扫频激励、简谐激励和随机激 励这三种激励形式进行了实验研究。 4. 1 扫频激励下的隔振实验与结果分析 扫频激励下的隔振实验平台如图 2 所示,在移频 特性实验的基础上加入了由激光位移传感器 1、DSP 控 制器和继电器组成的控制系统。 其中继电器通断由 DSP 控制器控制,激光位移传感器 1 安装于质量块上 方以实时测得质量块的位移信号并实时将其传入 DSP 控制器中,由 DSP 控制器进行 A/ D 转换和 FFT 后获得 质量块振动的频域信号,DSP 控制器根据该信号频率, 按扫频激励下的 on-off 控制策略控制继电器的通断,从 而控制隔振器线圈电流的有无,即控制加载于磁流变 弹性体的控制磁场的有无。 图 6 对在 0 A,2 A 和 on-off 控制策略下的加速度 传递率进行了比较。 由图 6 可以看出,在频率小于 42. 4 Hz时,on-off 控制的曲线与2 A 的曲线几乎完全重 合,在这个范围内,相对于被动隔振,随着频率由 15 Hz 增加到被动隔振的固有频率处,隔振效果越来越好,在 被动隔振的固有频率处达到最好,加速度传递率由 5. 9 减小为 2. 0,减小了 66;振动频率由被动隔振的固有 频率处增加到 42. 4 Hz,隔振效果逐渐变差;在频率大 于 52. 0 Hz 时,on-off 控制的曲线与 0 A 的曲线几乎完 全重合,在这个范围内,相对于 2 A 电流状态,随着频 率由52. 0 Hz 增加到2 A 电流状态的固有频率处,隔振 效果越来越好,在 2 A 电流状态的固有频率处达到最 好,加速度传递率由4. 8 减小为1. 0,减小了79;当振 动频率大于 2 A 电流状态的固有频率时,隔振效果逐 渐变差。 on-off 控制的加速度传递率最大值是 3. 8,并 且出现在47. 2 Hz 处,相对于被动隔振的加速度最大值 减小了 36,相对于 2 A 电流状态的加速度最大值减 小了 21。 通过以上分析,可以看出on-off 控制的磁 流变弹性体隔振器对扫频激励有很好的隔振效果,并 且在被动隔振和最大电流状态的固有频率处隔振效果 最好,在阈值频率处隔振效果最差。 分析在 42. 4 52. 0 Hz内加速度突变的原因,是因为阈值频率处电 流发生突变引起了 MRE 的刚度发生了突变。 分析 2 A 电流状态下的加速度最大值小于被动隔振的加 速度最大值,是因为由于励磁电流的加载使得 MRE 的阻尼变大了。 图 6 扫频激励隔振频域图 Fig. 6 Frequency domain diagram of vibration isolation under sweeping excitation 4. 2 简谐激励和随机激励下的隔振实验与结果分析 简谐激励和随机激励下的隔振实验平台如图 2 所 示,由信号发生器分别产生频率为 50 Hz 的正弦信号 接近阈值频率和随机信号,激光位移传感器 1 和激 光位移传感器 2 分别测得激励和响应位移信号,DSP 控制器根据该位移信号和对其微分后的速度信号按简 谐激励和随机激励下的控制策略控制继电器的通断, 从而实现隔振器线圈电流控制,即磁流变弹性体磁场 控制,也就是隔振器刚度、阻尼控制。 其他设备与移频 特性实验中所起作用一致。 图 7 对在 0 A,2 A 和 on-off 控制策略下的质量块 的响应加速度进行了比较,由图 7 可以看出,0 A 电流 和 2 A 电流状态下的响应加速度近似相同,幅值均为 1. 1 m/ s2左右,on-off 控制下的响应加速度有明显减 小,幅值约为 0. 51 m/ s2,减小了 45。 图 7 简谐激励加速度响应 Fig. 7 Acceleration responses under harmonic excitation 图 8 对在被动隔振和 on-off 控制策略下的质量块 的响应加速度进行了比较,由图 8 可以看出,相对于被 动隔振,on-off 控制下的响应加速度明显减小,由实验 数据提取出被动隔振和 on-off 控制下的响应加速度有 效值分别为 0. 6 m/ s2和 0. 4 m/ s2,相对于被动隔振, on-off 控制下的响应加速度减小了 33。 121第 8 期 马伟佳等 磁流变弹性体隔振器隔振控制与实验研究 ChaoXing 图 8 随机激励加速度响应 Fig. 8 Acceleration responses under random excitation 5 结 论 1 通过基于扫频激励的实验对磁流变弹性体隔 振器的移频特性进行了研究,实验证明磁流变弹性体 隔振器移频可达 61。 2 针对扫频激励提出了一种 on-off 控制策略,通 过实验证明在所提出的 on-off 控制策略的控制下,磁 流变弹性体隔振器对扫频激励有着很好的隔振效果, 尤其在被动隔振和饱和电流状态下的固有频率处隔振 效果最为明显,可使加速度传递率分别下降 66 和 79,在阈值频率处隔振效果最差。 3 使用了基于变阻尼、变刚度的 on-off 控制策 略,并将其分别应用于随机激励和简谐激励,通过实验 证明在 on-off 控制策略的控制下,磁流变弹性体隔振 器对随机激励和简谐激励都有着很好的隔振效果。 相 比于被动隔振,on-off 控制可使简谐激励的响应加速度 减小 45, 使 随 机 激 励 的 响 应 加 速 度 有 效 值 减 小 33。 参 考 文 献 [ 1 ] BAZINENKOV A M, MIKHAILOV V P. Active and semi active vibration isolation systems based on magnetorheological materials[J]. Procedia Engineering, 2015, 106 170 -174. [ 2 ] CUNNINGHAM D, DAVIS P. A multiaxis passive isolation system for a magnetic bearing reaction wheel[J]. Advances in the Astronautical Sciences, 1993, 95 80426. [ 3 ] HOUSNER G W, BERGMAN L A, CAUGHEY T K, et al. Structural control past, present, and future[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1997, 1239 897 -971. [ 4 ] 杜光磊. 复合型磁流变弹性体隔振器设计及其控制系统 研究[D]. 南京南京理工大学, 2017. [ 5 ] DAVIS C L, LESIEUTRE G A. An actively tuned solid-state vibration absorber using capacitive shunting of piezoelectric stiffness[J]. Journal of Sound Vibration, 2000, 2323 601 -617. [ 6 ] POPP K M, ZHANG X Z, LI W H, et al. MRE properties under shear and squeeze modes and applications[J]. Journal of Physics Conference Series, 2009, 1491 012095. [ 7 ] LI W H, ZHOU Y, TIAN T F. Viscoelastic properties of MR elastomers under harmonic loading [ J].Rheologica Acta, 2010, 497 733 -740. [ 8 ] 黄学功, 刘春, 王炅,等. 硅橡胶基磁流变弹性体相对磁 导率研究[J]. 功能材料, 2016, 472 2143 -2147. HUANG Xuegong, LIU Chun, WANG Jiong, et al. Research on the relative permeability of magnetorheological elastomer based on silicone rubber[J]. Journal of Functional Materials, 2016, 472 2143 -2147. [ 9 ] XU Z, GONG X, LIAO G, et al.An active-damping- compensated magnetorheologicalelastomer adaptive tuned vibration absorber[J]. Journal of Intelligent Material Systems Structures, 2010, 2110 1039 -1047. [10] CARLSON J D, JOLLY M R. MR fluid, foam and elastomer devices[J]. Mechatronics, 2000, 104 555 -569. [11] CHEN L, GONG X L, LI W H.Microstructures and viscoelasticpropertiesofanisotropicmagnetorheological elastomers[J]. Smart Materials Structures, 2007, 166 2645 -2650. [12] LI Y, LI J, TIAN T, et al. Corrigendum a highly adjustable magnetorheological elastomer base isolator for applications of real-time adaptive control [J]. Smart Materials Structures, 2014, 2312 129501. [13] GINDER JM,SCHLOTTERWF,NICHOLSME. Magnetorheological elastomers in tunable vibration absorbers [J]. Proceedings of SPIE, 2001, 4331 103 -110. [14] NI Z C, GONG X L, LI J F, et al. Study on a dynamic stiffness-tuningabsorberwithsqueeze-strainenhanced magnetorheological elastomer [ J ].JournalofIntelligent Material Systems Structures, 2009, 2010 1195 -1202. [15] 夏永强, 余淼, 刘胜龙. 磁流变弹性体隔振缓冲器设计及 实验研究[J]. 振动与冲击, 2010, 299 196 -200. XIA Yongqiang, YU Miao, LIU Shenglong.Design and experimental study of magnetorheological elastomer vibration isolator[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 299 196 -200. [16] ZHAO L, YU M, FU J, et al. A miniature MRE isolator for lateral vibration suppression of bridge monitoring equipment design and verification[J]. Smart Material Structures, 2017, 264 047001. [17] 刘春. 复合工况用磁流变弹性体及其智能隔震器设计研 究[D]. 南京 南京理工大学, 2016. [18] LIU Y, MATSUHISA H, UTSUNO H. Semi-active vibration isolation system with variable stiffness and damping control [ J].Journal of Sound Vibration, 2008, 313 1 16 -28. [19] NAGARAJAIAH S, ASCE M, SONMEZ E. Structures with semiactivevariablestiffnesssingle/ multipletunedmass dampers[J]. Journal of Structural Engineering, 2007,133 67 -77. [20] LIAO G J, GONG X L, XUAN S H, et al. Development of a real-time tunable stiffness and damping vibration isolator based on magnetorheological elastomer [ J ].Journalof Intelligent Material Systems Structures, 2012, 23 1 25 -33. 221振 动 与 冲 击 2020 年第 39 卷 ChaoXing