超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性振动特性试验研究

超磁致伸缩薄膜(GMF)的振动特性是决定其驱动性能的重要因素。针对研制出的Cu基双层GMF(TbDyFe/Cu/SmFe),测量并分析了其磁致回线、矫顽力等磁化特性。在此基础上,采用基于激光位移传感器的薄膜振动特性试验装置,研究了Cu基GMF悬臂梁在低频低磁场下的振动特性,结果表明,Cu基GMF悬臂梁具有10阶超谐波共振特性,二、三阶超谐波共振的峰峰值均在35μm以上,且其一阶主共振呈现明显的"软弹簧"特征。最后,给出了直流偏置磁场和交流驱动磁场对Cu基GMF共振频率和振动幅值等驱动性能的影响规律,为设计开发低频低磁场驱动的GMF微执行器和微传感器提供试验参考。     

超磁致伸缩薄膜微机械变形镜驱动器的研究

分析了微机械变形镜MEMS驱动器的种类及其特点,并在磁致伸缩薄膜具有低磁场下的大形变、低功耗、高响应速度等特性基础上,提出了超磁致伸缩薄膜MEMS驱动器的原理.由于TbFe磁致伸缩薄膜在外加磁场作用下,微桥将在水平方向上产生伸长变形,从而引起微桥在垂直方向上发生位移.根据这一原理,设计了一种用于微机械变形镜MEMS驱动器的超磁致伸缩薄膜驱动结构,同时提出制作磁致伸缩薄膜连续式微机械变形镜的工艺流程.     

超磁致伸缩薄膜磁致伸缩耦合机理的有限元分析

从微观能量角度分析了超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩机理,建立了超磁致伸缩薄膜的非线性强磁—机械耦合模型。设计了简支梁式超磁致伸缩薄膜的驱动磁场并对其进行实验研究。通过Ansys有限元分析软件对简支梁式超磁致伸缩薄膜驱动模型进行了模拟分析,最终得到的薄膜的内部磁场分布结构及固有频率。结果表明,采用椭圆积分法得到薄膜内部磁场分布的数学模拟计算结果与有限元仿真结果基本一致。     

超磁致伸缩泵悬臂梁阀流固耦合特性分析

提出了一种采用悬臂梁式吸排油阀的超磁致伸缩液压泵结构,针对泵用悬臂梁阀工作时的流固耦合特性,基于单自由度振动理论与流固耦合作用下阀片振动参数等效计算原则,对超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀进行了线性化数学建模,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真研究。为研究其非线性特性,基于流固耦合力学原理,建立了超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀流固耦合数值模型,并利用Comsol-CFD对其工作特性进行了数值求解。然后依据求解结果进行了深入分析,得到了阀片主要参数对泵性能的影响规律,为超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀的主要结构参数的设计与优化提供相关依据。最后,通过不同厚度悬臂梁阀片在流固耦合作用下开启位移的线性理论结果与非线性数值结果的对比完成了模型验证,实验测试了超磁致伸缩泵的流量特性与阻断压力特性,得到了该泵峰值驱动频率为300Hz左右。     

磁致伸缩薄膜动态驱动特性的研究

提出一种新的磁致伸缩薄膜动态驱动特性的研究方法,其原理是以磁致伸缩薄膜复合梁的等效形变为基础,将磁致伸缩驱动应力转换为等效驱动力矩,建立磁致伸缩薄膜的强迫振动动态模型,通过受迫振动理论来研究磁致伸缩薄膜的动态特性。对该模型进行了仿真计算和试验验证,表明该模型可以描述磁致伸缩薄膜的动态行为。该方法对薄膜驱动器的运动分析与结构优化。最终实现基于磁场自感知的超磁致伸缩薄膜驱动器的闭环控制具有参考意义。     

超磁致伸缩薄膜尾鳍机器鱼的仿生游动机理

根据仿生学原理,采用超磁致伸缩薄膜驱动器模仿鱼类的波状推进方式,可以实现机器人的无缆驱动,并能显著提高机器人的可靠性与实用性。为了提高推进力,进而提高驱动效率,实现机器人尾鳍形状优化是关键。基于等面积条件,优选了几种薄膜尾鳍形状,在建立悬臂梁结构变断面超磁致伸缩薄膜受迫振动动态模型和机器人推力模型的基础上,对不同形状薄膜尾鳍的推力进行了仿真验证,得出了最佳尾鳍形状曲线,并用有限元法分析了薄膜驱动器的应力分布,最后通过试验验证了薄膜驱动器的推进效果。     

超磁致伸缩微位移执行器的矢量阻抗分析模型

超磁致伸缩微位移执行器应用于精密、超精密加工场合时,执行器系统易受外负载影响,且在动态工作状态下会产生磁滞和涡流等效应,引起工作性能发生改变。应用线性压磁方程,机电换能方程和阻抗分析理论建立超磁致伸缩执行器的矢量阻抗分析模型。模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分讨论,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗。试验结果显示模型计算的系统矢量阻抗值与测量值间幅值误差约7%,相位误差约7.7%,表明所建立的模型能够近似描述系统在精密加工场合时的阻抗特性,可为超磁致伸缩微位移执行器的设计、控制和性能优化提供指导。     

超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究

正超磁致伸缩材料以其大磁致伸缩系数、高机电耦合系数、快速响应能力、易于驱动等特点而备受关注。该材料具有强磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应,在工作过程中表现出双向能量转换特性。利用磁致伸缩正效应可制作驱动装置,利用磁致伸缩逆效应可制作传感器。当超磁致伸缩材料工作在机械约束条件下,磁致伸缩正效应和逆效应会发生耦合。如果研究磁致伸缩正逆效应耦合特性,可利用正逆耦合效应开发兼具执行和传感功能的磁致伸缩器件。开发单体微位移驱动设备使之兼具执行和传感等多种用途,是微位移驱动领域理论研究与工程应用的趋势所在;并且,在精密、超精密加工领域,例如精密机械抛光加工中的压力控制,需要一种具有恒定输出力或输出力可控的驱动机构。因此,利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆     

2-DOF汽车悬架系统非线性动力学分析

为了研究外部激励作用下悬架系统的动态特性,建立了考虑非线性弹簧力和非线性阻尼力的二自由度四分之一车辆动力学模型。采用增量谐波平衡法分析了激励比和非线性刚度系数对悬架系统的动态特性的影响,并得到了各次谐波响应的幅频特性曲线。研究结果表明,在不同的激励比和非线性刚度系数作用下悬架系统表现出超谐波共振、主共振、多解、硬式/软式非线性以及跳跃不连续等强非线性行为。与此同时,悬架系统的超谐波共振响应对激励比具有明显的敏感性。除此之外,各参数对系统的主共振峰值及硬式非线性具有较大的影响。在一定范围内减小激励比和增大非线性刚度系数能够有效地降低悬架系统的振动幅值。     

超磁致伸缩换能器驱动磁场均匀性的研究

给出超磁致伸缩换能器驱动磁场均匀性概念后,论述了超磁致伸缩换能器驱动磁场宜用电磁感应强度表示。建立了ANSYS2D有限元模型,分析了超磁致伸缩棒、线圈长度、磁路闭合与否、补偿线圈等对磁场均匀性的影响,得出了明确的结论。该分析结果已经用于指导超磁致伸缩换能器的设计,取得良好的效果。     

Geometrical nonlinear deformation model and its experimental study on bimorph giant magnetostrictive thin film

The geometrical nonlinearity of a giant magnetostrictive thin film (GMF) can be clearly detected under the magnetostriction effect. Thus, using geometrical linear elastic theory to describe the strain, stress, and constitutive relationship of GMF is inaccurate. According to nonlinear elastic theory, a nonlinear deformation model of the bimorph GMF is established based on assumptions that the magnetostriction effect is equivalent to the effect of body force loaded on the GMF. With Taylor series method, the numerical solution is deduced. Experiments on TbDyFe/Polyimide (PI)/SmFe and TbDyFe/Cu/SmFe are then conducted to verify the proposed model, respectively. Results indicate that the nonlinear deflection curve model is in good conformity with the experimental data.     

Geometrical nonlinear deformation model and its experimental study on bimorph giant magnetostrictive thin film

The geometrical nonlinearity of a giant magnetostrictive thin film (GMF) can be clearly detected under the magnetostriction effect. Thus, using geometrical linear elastic theory to describe the strain, stress, and constitutive relationship of GMF is inaccurate. According to nonlinear elastic theory, a nonlinear deformation model of the bimorph GMF is established based on assumptions that the magnetostriction effect is equivalent to the effect of body force loaded on theGMF.With Taylor seriesmethod, the numerical solution is deduced. Experiments on TbDyFe/Polyimide (PI)/SmFe and TbDyFe/Cu/SmFe are then conducted to verify the proposed model, respectively. Results indicate that the nonlinear deflection curve model is in good conformity with the experimental data. __________ Translated from Journal of Dalian University of Technology, 2007, 47(1): 34–38 [译自: 大连理工大学学报]     

基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

针对双晶压电悬臂梁发电装置机电两类能量通过压电效应耦合强弱的问题,将能量法应用到双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的分析中。开展了双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的理论分析,并建立了其与双晶压电悬臂梁发电装置尺寸参数和材料特性之间的关系,对双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数与其尺寸参数和材料特性的关系模型进行了实验验证和数值模拟。研究结果表明,实验值与理论解有较好的一致性,且都在压电片厚度为0.25 mm时开路电压最大,验证了该理论模型的可靠性。此外,随着压电梁厚度比的不断增大,其机电耦合系数单调递增;同时,较大的弹性模量比有利于压电梁机电耦合系数的提高,且相对于钢弹性基片,铍青铜弹性基片更有利于压电梁机电耦合系数的提高。     

螺栓连接悬臂梁超谐响应特性试验研究

针对光电设备中广泛采用的螺栓连接形式,采用单螺栓连接悬臂梁模型,对螺栓连接引起的结构振动特性的改变进行实验。利用激振器和振动信号采集设备,结合快速傅立叶分析方法指出螺栓连接模型在一定条件下有超谐共振响应现象。模型的谐振频率随着扭矩的增大呈先增大后减小的现象。结构在相同扭矩下,第一阶谐振频率随着激励幅值的增大而减小,结构呈渐软非线性。给定1/2和1/3倍谐振频率下的正弦激励,系统能量随着激励幅值的增大而趋向于固有频率处。结构在低预紧扭矩下,非线性项中二次项对结构响应起主要作用;在较高预紧下,非线性项中三次非线性项对结构响应起主要作用。该实验结果对开展后续连接结构的非线性振动特性的研究有一定的理论和指导意义。     

悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究

以双压电晶片振子为研究对象,对悬臂梁式双压电晶片振子在正压电效应下电压输出特性进行了有限元分析与试验研究,给出了压电晶片在悬臂梁上的最佳粘贴位置,并且利用有限元分析软件建立了悬臂梁双压电晶片振子的有限元模型,进行了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子输出电压影响规律的仿真分析;利用压电陶瓷发电能力测试系统进行了试验测试,通过仿真和试验结果对比分析,得出了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子发电的输出电压影响规律。     

压电双晶片的有限元分析及实验

采用有限元分析方法,分析了压电双晶片悬臂梁的位移形变特征.研究了金属弹性层、压电陶瓷片的材料属性及几何尺寸对双晶片偏转位移的影响;计算了双晶片的弹性模量、厚度以及加载电压与位移形变产生弯应力的关系;通过位移测试、弯应力测试等相关实验对有限元分析进行了验证.当加载电压为60 V(120 Vp-p)时,双晶片的偏转位移和弯应力分别为166/μm和34.7 m·N,实验结果证明本文所建的有限元模型是合理有效的.此外,测试了压电双晶片的振动特性,测得其谐振频率为310 Hz,在该频率下加载20 Vp-p电压,其端部位移输出即可达1.7 mm.有限元分析结果及实验验证为压电双晶片结构的优化设计提供了依据.     

平方非线性对屈曲薄板振动性能影响的研究

分析研究参数激励简支矩形薄板非线性振动中的超谐振动。依据Karman方程的动态比拟，运用Galeerkin法将控制薄板振动的微微分方程转化参数激励Duffing型方程。针对该方程进行的变换表明，屈曲薄板振动系统为带有平方和立方非线性的参数激励非线性动力系统。应用摄动分析研究系统中平方非线性因素对系统的调节机理以及平方非线性导致的2倍超谐振动。分析结果表明，由于平方非线性对系统的调节作用，在一定的参数域响应中自由振动项的幅值不会因阻尼的存在而衰减，自由振动以激励频率2倍的频率参与系统的响应。基于理论分析的试验研究证明，所讨论的参数激励屈曲薄板振动系统在一定的参数条件下将出现2倍超谐振动。由2倍超谐振动参与的系统的振动状态是稳定的周期运动。     

Analysis of the effect of mechanical properties of liquid and geometrical parameters of cantilever on the frequency response function of AFM

The dynamic behavior of atomic force microscopy (AFM) cantilevers in liquid is completely different from its behavior in air due to the applied hydrodynamic force. Exciting cantilever with frequencies close to resonance frequency and primary position alignment are two critical issues that should be considered in deriving frequency response function (FRF). In this paper, the hydrodynamic force has been modeled with string of spheres and the effect of the damping and the added mass on the model has been analyzed. Afterward, this force is applied to the dynamic equation so that the dynamic behavior of AFM cantilevers is studied in liquids by analyzing the effect of some important parameters such as added mass, internal, and fluid damping. By simulations of the dynamic equations for a silicon cantilever, FRF is determined in both air and liquid. In addition, the effects of two significant parameters of liquid mechanical properties (liquid viscosity and density) and geometrical parameters of cantilever on FRF are studied. The results for string of spheres model are compared with the other hydrodynamic model and the experimental data. When length/width ratio decreases, it is found that string of spheres model has a better agreement than the other hydrodynamic model with experimental data.     

温度场中输电线在谐扰力作用下的3次超谐共振

研究输电线在温度场中谐扰力作用下的3次超谐共振问题,应用动力学方法建立温度场中受谐扰力作用输电线的非线性振动.根据非线性振动的多尺度解法,得到系统满足3次超谐共振情况的近似解,并对其进行数值计算.分析温差变化、外部激励、谐调值、阻尼等对系统的影响.得到系统失稳的临界温度,指出幅频响应曲线存在跳跃现象.