磁流变阻尼器的构造设计及其阻尼力性能的试验研究

本文根据磁流变液的材料特点和磁路设计原则，设计并制作了一个双出 杆的剪切阀式磁流阻尼器，在伺服试验机上对所设计制作的磁流变阻尼器的阻尼力性能进行了试验研究，并分析了影响阻尼力的各种因素。结果表明：所设计制作的磁流变阻尼器具有一定的剩磁，但剩磁对阻尼力可调系数的影响很小；所设计制作的磁流变阻尼器能够达到的最大阻尼力和阻尼力可调系数都很理想。由此得出结论，本文所设计制作的磁流变阻尼器具有卓越的阻尼性能，可在土木工程结构的半主动振动控制设计中加以推广和应用。     

可调滞回模型的磁流变阻尼器及其试验

本文在现在磁流变阴尼器性能研究的基础上，提出了可调滞回模型的磁流变阻尼器及其试验方法，并进行理论、试验及算例分析。首先，根据恒定电流下磁流变阻尼器的阻尼力滞力特性，利用磁流变材料特性的电流（即磁场）可控特点，建立了变电流下的阻尼力滞回模型；其次，在中通过电路板控制外加电流与装置变形间的函数关系，实现了变电流调节的阻尼力滞回模型；最后，将磁流变阻尼器与橡胶隔震装置结合，形成智能磁流变隔夺装置，并对一个单自由度隔震结构进行了数值仿真分析。     

磁流变阻尼器的半主动控制及实时混合模拟试验研究

磁流变阻尼器作为一种比较典型的半主动控制元件,具有构造简单、响应速度快、耐久性好、阻尼力大且连续可调等优点。即使地震中能源中断,磁流变阻尼器仍可以作为被动耗能装置继续工作发挥作用,可靠性高。设计合理有效的磁流变阻尼器半主动控制方法,对于整体结构的减震效果尤其重要。提出一种改进的磁流变阻尼器的半主动控制策略-改进的Bang-Bang控制策略,对装有磁流变阻尼器的减震控制3层框架结构进行了一系列的实时混合模拟试验,对多种半主动控制方法下的振动控制效果进行试验分析。试验结果表明:磁流变阻尼器对框架结构的减震效果显著,并验证了提出的磁流变阻尼器半主动控制策略的有效性。     

磁流变液阻尼器三段线性变阻尼模型及试验验证

自行研发了一个最大出力约为10 kN的磁流变液阻尼器(MRFD),基于阻尼器的力学性能试验结果,分析最大阻尼力随速度和电流的变化规律,提出了一种适用于控制器设计的简便高效MRFD唯象模型-三段线性变阻尼恢复力模型,并对模型参数进行识别,数值与试验结果对比分析表明该模型可较精确地模拟MRFD的非线性力学性能。基于该三段线性变阻尼恢复力模型可方便数值求解阻尼器逆模型,阻尼器力学模型的研究思路可应用于其他具体研发的磁流变液阻尼器中。     

RD-1005型磁流变阻尼器长期力学性能对比研究

磁流变阻尼器在长期使用后的力学性能是工程界关心的重要问题。选取了5个在洞庭湖大桥工作了十年的RD-1005型磁流变阻尼器进行了力学性能试验,获得了该磁流变阻尼器在不同控制电压、激振频率和振幅工况下的滞回曲线以及等效黏性阻尼系数。采用阻尼力幅值、等效黏性阻尼系数等参数与同批次新RD-1005型磁流变阻尼器进行了对比分析,评估了RD-1005型磁流变阻尼器长期工作性能。对旧阻尼器进行了拆解,探讨了该阻尼器性能退化的原因。研究表明,与新阻尼器相比,长期使用后阻尼器的力幅值平均降低率为26.9%,等效阻尼系数平均降低率为25.1%,磁流变液沉淀是该阻尼器退化的原因。     

500kN 足尺磁流变液阻尼器设计的关键技术

对我们制作的、目前出力居世界前列的500kN足尺MR阻尼器设计的关键技术、阻尼器的性能试验及力学模型的参数识别进行了研究。在对磁流变液材料的最大屈服剪应力、抗沉降稳定性以及磁滞响应时间等关键性能试验分析的基础上,确认该磁流变液的抗沉降稳定性和其他两项性能指标满足MR阻尼器的设计与工程应用要求。同时,对此500kN足尺MR阻尼器设计的关键技术,包括内置式碟型弹簧蓄能器、磁场防漏设计以及引线保护等进行了介绍;并通过对此MR阻尼器性能的试验,依据阻尼最小二乘法,对MR阻尼器采用的修正的B ingham模型的参数进行了识别,得到了与试验结果吻合的MR阻尼器的力学模型。通过研究可知,高性能磁流变液材料的制备以及MR阻尼器设计的关键技术是大吨位足尺MR阻尼器成功的关键。     

高阶单步法控制MR智能隔震系统的试验研究

高阶单步法已成功地应用于结构非线性分析及考虑时滞的主动控制等，显示了它的稳定、精度高和计算迅速等特点。磁流变阻尼器是一种性能优良的智能阻尼器，它具有阻尼力可调范围宽、响应迅速且所需能量很少的特点。本文将磁流变（MR）阻尼器与普通橡胶隔震支座相结合，采用高阶单步算法和两种控制策略对结构进行振动控制。数值模拟分析与振动台试验结果表明：由MR阻尼器提供可调阻尼力的智能隔震控制系统能有效克服被动隔震最优控制频带窄的缺点，对较宽频域范围不同大小的地震激励均能提供最优控制。同时也表明该控制算法是一种能用于结构实际控制的变阻尼有效算法。     

半主动悬挂系统磁流变减振器的阻尼力实验与分析

采用磁流变减振器的履带车辆半主动悬挂系统,由于磁流变流体阻尼器结构简单、体积小、能耗低、反应迅速且阻尼力可调,正在成为新型履带车辆悬挂系统的发展方向。本文基于磁流变可控流体本构关系的Bingham模型,对影响车用磁流变减振器的阻尼力的各种因素进行了综合分析。对自行研制的双出杆剪切阀式磁流变减振器进行了实验研究,用实验与数值计算相结合的方法建立了粘滞阻尼力与液体动力粘度的关系、粘滞阻尼力与活塞间隙的关系、总阻尼力与活塞间隙的关系以及活塞间隙与可调系数K的关系。讨论了活塞间隙对磁流变减振器工作性能的影响规律,得到了活塞间隙的取值范围及依据。文中的数值计算是建立在已成型的试验器材基础上的,所以得到的关系曲线具有一定的实际意义和参考价值。     

基于遗传算法的磁流变阻尼器模型参数识别

磁流变阻尼器是一种具有广阔应用前途的半主动控制装置,但其复杂的力学特性很难精确描述。非线性参数模型是一个相对简单并且能够很好地描述磁流变阻尼器力学特性的力学模型,但该模型既是非线性的、又是非解析的,参数识别十分困难。结合传统遗传算法良好的全局搜索能力和二分法可靠的收敛性,本文提出了一种改进的遗传算法——层次压缩遗传算法。对非线性参数模型的参数识别结果显示：层次压缩遗传算法简单可行,具有较高的识别精度。同时也验证了非线性参数模型描述磁流变阻尼器阻尼力特性的准确性。     

基于H∞理论的磁流变阻尼器半主动容错控制

建筑结构的半主动控制系统中的传感器,在强震作用下可能因出现故障而影响控制效果。以磁流变阻尼器为例,研究半主动容错控制系统的设计方法。首先,研究了基于状态观测器的半主动H∞控制器设计方法,并将之应用到建筑结构采用磁流变阻尼器的减振控制中;运用改进Bouc-Wen模型,计算磁流变阻尼器的阻尼力,通过求解一个代数Riccati方程和一个状态观测方程,得出了基于状态观测器的H∞主动控制律;再对其采用Clipped-optimal方法实施半主动控制策略。然后,针对传感器故障,利用观测器组的输出残差对故障进行在线诊断,并通过几个观测器状态值的比较得到故障的大小,并据此对传感器的测量值进行修正,从而消除故障对闭环系统的影响,最终实现半主动H∞容错控制。仿真结果表明,该方法具有很好的容错控制效果。     

基于AFSMC算法的结构非线性振动MR控制与仿真分析

作为最近发展起来的高性能半主动控制装置,磁流变阻尼器通过改变磁场强度来调节控制力,可靠度高,体积小,出力大,并且具有Fail-Safe的特点,是一种具有广泛应用前景的新型结构控制装置。本文主要研究结构非线性振动的磁流变阻尼半主动控制。首先采用我们提出的自适应模糊滑模控制(AFSMC)算法得到了结构非线性振动的主动控制力,然后参照主动控制力,提出和仿真实现了结构非线性振动的磁流变阻尼半主动控制。最后,针对3层和20层benchm ark非线性模型,每层均设置一个磁流变阻尼器,对在给定的地震动下的结构响应进行了计算,分析了半主动控制跟踪主动控制的效果,并且对于半主动控制下的结构位移响应、加速度响应等各项指标也进行了对比分析。仿真结果表明,由于自适应模糊滑模控制算法与半主动控制算法相结合可以很好地实现结构非线性振动的半主动控制,所以能够得到令人满意的控制结果。     

逆变型磁流变阻尼器的实验和分析

磁流变液是一种性能优良的智能材料,用其制成的MR阻尼器是一种理想的半主动控制装置。本文提出了一种新型MR阻尼器——逆变型MR阻尼器,给出了逆变型MR阻尼器的设计方法,并设计了一个足尺的阀式逆变型MR阻尼器。实验证明逆变型MR阻尼器阻尼力可调,在电源失效或无电源时能够在大阻尼状态工作,这提高了半主动控制装置在地震中的使用安全性。逆变型MR阻尼器具有良好的可靠性、实用性和经济性。本文最后针对试验中阻尼器出力的可调范围比较小的问题给出了几种改进的思路。     

相邻结构地震反应MR阻尼器控制的仿真分析

本文仿真分析了应用磁流变(MR)阻尼器对相邻结构地震反应的控制效果,为进一步开展模型试验研究奠定了基础。建立了地震激励下相邻结构MR阻尼器控制系统的运动方程,提出了描述MR阻尼器阻尼力滞回特性的改进S igmoid模型,分别对应用开关控制、半主动控制以及最小或最大电流被动控制的四种控制方法的相邻结构地震反应的控制效果进行了仿真分析。结果表明,在相邻结构间连接安装MR阻尼器可以有效地控制相邻结构的地震反应,且开关控制方法和半主动控制方法的控制效果均好于两种被动控制方法,体现了MR阻尼器阻尼力可调的优点;在四种控制方法中,半主动控制方法的控制效果最好,体现了MR阻尼器阻尼力具有连续调节能力的优点;若能解决MR阻尼器的剩磁问题,半主动控制方法的控制效果会得到进一步的提高。     

Experimental study of the semi‐active control of building structures using the shaking table

A magnetorheological (MR) damper has been manufactured and tested and a non‐linear model is discussed. The parameters for the model are identified from an identification set of experimental data; these parameters are then used to reconstruct the force vs. displacement and the force vs. velocity hysteresis cycles of the MR damper for the hysteretic model. Then experiments are conducted on a three‐storey frame model using impact excitation, which identifies dynamic parameters of the model equipped with and without the MR damper. Natural frequencies, damping ratios and mode shapes, as well as structural properties, such as the mass, stiffness and damping matrices, are obtained. A semi‐active control method such as a variable structure controller is studied. Based on the ‘reaching law’ method, a feedback controller is presented. In order to evaluate the efficiency of the control system and the effect of earthquake ground motions, both numerical analysis and shaking table tests of the model, with and without the MR damper, have been carried out under three different ground motions: El Centro 1940, Taft 1952, and Ninghe 1976 (Tangshan Earthquake in Chinese). It is found from both the numerical analysis and the shaking table tests that the maximum accelerations and relative displacements for all floors are significantly reduced with the MR damper. A reasonable agreement between the results obtained from the numerical analysis and those from the shaking table tests is also observed. On the other hand, tests conducted at different earthquake excitations and various excitation levels demonstrate the ability of the MR damper to surpass the performance of a comparable passive system in a variety of situations. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

磁流变耗能器及其性能

磁流变换（ＭＲ）是一种智能材料,它能够在强磁场的作用下从牛顿流体变化为粘塑流体,用磁流变液制作的耗能装置简单,体积小,能耗小,可连续可逆变化,是实现半主动控制的理想控制元件,本文介绍了磁流变液的材料特征,建立了磁流变耗能器的恢复力简化模型,根据磁流变液耗器的特点,提出了制作磁流变耗器时参数设计的基本要求;最后,利用等效线性化方法,提出了磁流变耗能器总阻尼系数的计算方法,并且比较了其中的粘性阻尼系数     

Real‐time hybrid testing of a smart base isolation system

Real‐time hybrid testing is a very effective technique for evaluating the dynamic responses of rate‐dependent structural systems subjected to earthquake excitation. A smart base isolation system has been proposed by others using conventional low‐damping isolators and controllable damping devices such as magnetorheological (MR) dampers to achieve specified control target performance. In this paper, real‐time hybrid tests of a smart base isolation system are conducted. The simulation is for a base‐isolated two‐degrees‐of‐freedom building model where the superstructure and the low‐damping base isolator are numerically simulated, and the MR damper is physically tested. The target displacement obtained from the step‐by‐step integration of the numerical substructure is imposed on the MR damper, which is driven by three different control algorithms in real‐time. To compensate the actuator delay and improve the accuracy of the test, an adaptive phase‐lead compensator is implemented. The accuracy of each test is investigated by using the root mean square error and the tracking indicator. Experimental results demonstrate that the hybrid testing procedure using the proposed actuator compensation techniques is effective for investigating the control performance of the MR damper in a smart base isolation system. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Simplified design method for shear-valve magnetorheological dampers

Based on the Bingham parallel-plate model, a simplified design method of shear-valve magnetorheological(MR) dampers is proposed considering the magnetic circuit optimization. Correspondingly, a new MR damper with a full-length effective damping path is proposed. The prototype dampers are also fabricated and studied numerically and experimentally. According to the test results, the Bingham parallel-plate model is further modified to obtain a damping force prediction model of the proposed MR dampers. This prediction model considers the magnetic saturation phenomenon. The study indicates that the proposed simplified design method is simple, effective and reliable. The maximum damping force of the proposed MR dampers with a full-length effective damping path is at least twice as large as those of conventional MR dampers. The dynamic range of damping force increases by at least 70%. The proposed damping force prediction model considers the magnetic saturation phenomenon and it can realize the actual characteristic of MR fluids. The model is able to predict the actual damping force of MR dampers precisely.     

SMA-MR复合型阻尼器

利用形状记忆合金超弹性、形状记忆特性和MR液的材料特性，提出了SMA-MR复合阻尼器，建立了阻尼器的理论模型。通过输入正弦波得到小震、大震时相应的滞回曲线，并对一单层框架进行输入El Centro地震波下的减震效果分析，比较了SMA-MR阻尼器、仅有SMA和仅有MR作用下的减震效果。结果表明，所设计的SMA-MR阻尼器具有卓越的阻尼性能，对大震、小震的控制实现了自适应的智能性。     

基于楼层剪力的等效阻尼比计算方法研究

针对现有附加有效阻尼比计算方法存在的问题,本文从能量的角度揭示了阻尼比对结构影响的机理。从结构设计的角度,提出一种在时程分析下基于楼层剪力的消能减震结构等效阻尼比计算方法。对布置黏滞阻尼器和软钢阻尼器的消能减震模型,采用本文提出的等效阻尼比计算方法,建立等效结构进行结构响应对比。结果表明,由该计算方法得到的等效阻尼比能够准确地评估阻尼器在结构中的耗能效果,建立的等效结构能够准确反映消能减震结构实际情况。基于楼层剪力的等效阻尼比计算方法通过等效结构楼层剪力大于或等于消能减震结构楼层剪力判断迭代完成,该方法计算过程不涉及阻尼器参数及结构形式,适用于所有阻尼器类型与结构类型。计算得到的等效结构进行设计能够确保结构设计的安全。