海洋工程环境下磁流变阻尼器的温度场效应研究

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磁流变阻尼器作为性能优异的半主动振动控制器件,其阻尼力调控简易,广泛应用在结构振动控制系统中。针对应用于海洋工程结构减振领域的磁流变阻尼器,由于外载荷复杂多变且持续时间长,阻尼器工作过程中容易引起温度升高,其动力学性能随之下降,如果仅以常温条件获得输出控制电流,产生的阻尼力难以与外载荷进行有效耦合。本文以研究磁流变阻尼器工作过程的温度变化状况和解决阻尼器温升动力性能衰减为目标,对磁流变阻尼器的温度效应和动力学性能开展了以下相关试验、仿真和建模研究:  首先,针对海洋工程恶劣的工作环境,进行大频率大幅值激励情况下阻尼器工作的温升变化试验研究,在3000s时间内,阻尼器温度可达到85℃,温度影响严重。结合实际温升情况,选取不同温度节点,在不同工况下分别进行阻尼器的动力性能试验,结果表明,在不同电流条件下,阻尼力均随着温度的升高而衰减,控制电流越小动力衰减幅度越大。  其次,分析阻尼器的温升机理,以ANSYS磁场仿真法代替解析法得到内部阻尼力,利用集总参数法建立了阻尼器内部做功与外部太阳热辐射混合作用的整体温升模型,并依据此模型对影响阻尼器温升的主要因素进行相关性分析。结果表明,此模型可用于预测阻尼器实际温升变化情况,研究温度效应需要考虑太阳热辐射能量影响,增大阻尼器缸筒有效面积和相对空气流速可降低阻尼器温升。  再次,针对集总参数法获得的阻尼器整体温度而非温度场分布的现状,利用GAMBIT和FLUENT软件建立了阻尼器热流固多场耦合有限元模型,进行了瞬态温度场求解分析。通过与温升试验相同工况的研究分析,结果表明,阻尼器工作时呈现出中间高、两头低的不均匀温度分布,最高温度处于内置线圈上方阻尼间隙的中间部位。多场耦合有限元模型还可用于对阻尼器进行结构参数优化设计以及密封泄漏研究。  最后,由于温升导致阻尼力衰减,常温动力学模型不再适用。因此,基于阻尼器温度动力性能试验数据,利用BP神经网络方法建立了考虑温度效应的正向阻尼力模型和逆向电流模型,并且与忽略温度影响的BP神经网络模型进行对比分析,结果表明,前者可以更好地跟踪预测阻尼力及控制电流变化,在不同工况下,预测值与实际值误差可控制在3%以下。  综上所述,通过相关试验、仿真和建模研究,既得到了阻尼器工作中的整体温升状况,也预测分析了阻尼器各部位温度场分布规律,并解决了因温度场效应产生阻尼力衰减而导致的常温模型不适用问题。
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