磁控形状记忆合金微位移执行器的研究与应用

磁控形状记忆合金（MSMA）是一种新型智能材料。该类材料具有磁控形状记忆效应（MSME）、变形率和力能密度大、动态响应速度快、线性度好以及易于控制等优点。针对MSMA输入/输出的非线性特点,论述了磁场诱发的磁控形状记忆效应、应力诱发的伪弹性效应以及温度诱发的形状记忆效应。总结了块体、薄膜MSMA在微位移执行器领域的国内外研究及应用现状,并对MS-MA微位移执行器的未来应用趋势进行了分析。研究结果表明,MSMA驱动器是微位移执行器领域中最为重要的驱动方式之一。     

磁控形状记忆合金驱动特性及其在液压阀驱动器中的应用分析

磁控形状记忆合金（Magnetic shape memory alloy,MSMA）是近年来新兴的一种智能材料,兼具传统智能材料如压电和超磁致伸缩材料响应快以及温控形状记忆合金应变大的特点,非常适合作为高性能驱动元件。在分析MSMA变形机理的基础上推导出材料的本构方程,引入温度作为材料变形影响因素修正了模型,并改进现有方程在材料预压力不为零时无法准确描述其变形的不足。试验测试了MSMA材料的变形特性,并基于试验数据建立神经网络模型以模拟变形过程中应力、应变等参数的非线性耦合关系。试验结果表明,该材料的体积能量密度可达70 kJ/m³,而能量转换效率高达80%。以高速开关阀为例研究了MSMA驱动高性能液压阀时的输出特性,完成了阀的结构设计、驱动器磁路和阀的流场仿真。阀芯驱动系统动态分析结果表明,MSMA直接驱动液压阀芯系统频率可达200 Hz以上,动态响应时间为5 ms。     

磁控形状记忆合金温度与磁感应强度关系模型研究

磁控形状记忆合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy,MSMA)作为一种新型的传感器材料,具有灵敏度高、响应速度快和能量密度高等特性。目前,研究人员对温度和磁感应强度之间的关系模型还未形成统一明确的认识,无法确定温度对磁感应强度的影响大小,而磁感应强度的幅度变化决定了传感特性的灵敏度,因此限制了MSMA材料在超精密传感器领域中的应用。在分析现有求解曲线关系模型方法的基础上,采用了多项式回归方法求解温度与磁感应强度的关系模型。结果表明,采用多项式回归方法得出的温度与磁感应强度的关系模型的拟合精度很高,方法可行。     

基本式和差动式旋转执行器研究 

基于磁控形状记忆合金（MSMA）直线执行器的研究,提出了基本式和差动式两种类型的MSMA旋转执行器。分别介绍了两种执行器的工作原理、结构和控制策略,推导了执行器的位移和转速公式,绘制出了MSMA元件的相对磁导率与磁通密度的关系曲线。在磁场有限元分析的基础上设计并研制了旋转执行器样机,比较了不同结构和不同控制策略下样机的实验速度曲线。样机的实验结果验证了MSMA旋转执行器工作机理的正确性和设计方法的可行性。     

磁控形状记忆合金直线驱动器

介绍了磁控形状记忆合金在磁场作用下的形变机理，并测得在0．4T的磁场下其自由形变率可达3．6％。根据其变形机理，利用仿生学原理研制出了磁控形状记忆合金驱动器样机及其控制系统，实现了驱动器大的行程和往复运动，给出了相应的实验结果曲线。     

基于混合遗传算法的磁控形状记忆合金驱动器磁滞模型优化

为了消除或减小磁滞非线性特性对磁控形状记忆合金驱动器定位精度的影响,应用BP神经网络建立了磁控形状记忆合金驱动器磁滞模型。针对BP网络算法存在的不足,以及网络结构、初始连接权值和阈值的选择对BP网络训练的影响很大等问题,提出一种混合遗传算法对神经网络磁滞模型的权值和阈值进行优化。将优化后的参数赋值给BP神经网络重新训练,结果表明,优化后的磁滞模型训练误差绝对值由25nm减小到5nm,有较好的收敛性。     

基于热力学性能的形状记忆合金驱动器多目标优化

提出了一种可应用于微小型水下机器人摆动关节的形状记忆合金差动驱动方法及其实验装置。分析了形状记忆合金差动驱动的摆动关节运动机理;针对不同结构参数的形状记忆合金驱动器在不同驱动条件和外界环境下的热力学性能,对形状记忆合金驱动器的响应能力、驱动力及能耗展开实验研究和分析;采用多目标优化设计理论和算法,对形状记忆合金差动驱动器的综合热力学性能进行了优化,得到了满足使用条件的形状记忆合金驱动器最优结构参数和与之匹配的控制量。     

形状记忆合金驱动器的研究现状及展望

形状记忆合金是一种新型智能材料,具有大的磁致应变、驱动迅速、驱动力大、能够精确控制等优点,有望成为新一代驱动与传感材料。主要类比了传统温控形状记忆合金和新型磁控形状记忆合金的区别,综述了它们的工作原理及在驱动器方面的应用,对它们在驱动器方面的研究进行了总结和展望。     

基于磁控形状记忆合金主动减振系统自适应控制

对磁控形状记忆合金(MSMA)应用于主动减振系统进行研究,通过仿真试验,研究自适应控制算法进行振动主动控制的效果。基于FIR数字滤波器,采用Fx-LMS自适应控制算法对基于MSMA作动器的主动减振系统的控制算法进行推导,对单自由度振动系统主动减振进行Simulink仿真。结果表明,Fx-LMS自适应控制算法具有良好的控制性能,利用MSMA作动器进行主动减振控制具有快速减小振动的效果,能有效降低振动对设备带来的不利影响,提高设备的使用寿命。     

形状记忆合金热机驱动性能的研究

形状记忆合金（SMA）热机主要包括3部分：热循环系统、曲柄滑块机构和主轴。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。通过MATLAB仿真得到SMA弹簧温度—位移、温度—驱动力变化曲线,最终通过实验验证驱动器的驱动特性。     

一种摆动式SMA活齿传动驱动器的设计与输出特性研究

设计了一种摆动式SMA(形状记忆合金)活齿传动驱动器,阐述了该种驱动器的工作原理,根据SMA相变机理和活齿传动的耦合力学模型,推导出在多路SMA驱动下的输出转矩。针对具体情况,给出了该种驱动器的一般设计方法,并考察了摆杆放大系数和活齿偏心距等相互耦合参数对驱动器输出特性的影响,给出了关键参数的最优取值范围。研究结果为SMA活齿传动驱动器的优化及输出特性分析提供了思路与方法。     

形状记忆合金螺旋弹簧的设计

从形状记忆合金应力、应变、温度的数学模型出发,考虑到形状记忆效应最佳时的临界变形量,提出了形状记忆合金螺旋弹簧及形状记忆合金驱动器的设计方法和步骤。针对形状记忆合金螺旋弹簧设计的复杂性和几何参数的不确定性,介绍了以Ｄ／ｄ３＝πτ／８ＫＰ为约束条件的满应力优化设计法。     

形状记忆合金螺旋弹簧的设计

从形状记忆合金应力、应变、温度的数学模型出发,考虑到形状记忆效应最佳时的临界变形量,提出了形状记忆合金螺旋弹簧及形状记忆合金驱动器的设计方法和步骤。针对形状记忆合金螺旋弹簧设计的复杂性和几何参数的不确定性,介绍了以Ｄ／ｄ＾３＝πτ／８ＫＰ为约束条件的满应力优化设计法。     

电热形状记忆合金与磁流变联合传动性能研究

针对单一的磁流变传动传递转矩较小的缺点,提出了一种电热形状记忆合金与磁流变联合传动方法,可以提高传动装置传递的转矩。基于形状记忆合金的热效应特性,建立了电热形状记忆合金弹簧挤压力与温度的关系;利用Maxwell软件,对磁场进行有限元分析,得到了不同电流下圆盘工作间隙中的磁场强度沿半径的分布情况;基于磁流变液的磁流变特性,建立了磁流变传递的转矩与磁场强度、半径等参数的关系;基于形状记忆合金弹簧的挤压特性,建立了摩擦转矩与挤压力、半径等参数的关系式。研究结果表明,电热形状记忆合金弹簧的挤压力产生的摩擦转矩随温度的升高而增大;磁场强度沿半径的增大而增强;电热形状记忆合金与磁流变联合传递的转矩比单一磁流变传递的转矩提升了53.8%。     

基于形状记忆合金的旋转式驱动器研究

对于以形状记忆合金元件为核心的驱动器的研究,主要集中在直线式和摆动式驱动器方面,涉及旋转式驱动器的较少。文章基于形状记忆合金的基本效应,建立了旋转式驱动器的功能结构模型,并分析了各功能环节的实现方式。在此基础上进行功能组合,提出了相应的实例模型。     

基于三缸曲柄滑块机构的SMA驱动器设计

以实例为模型分析了基于形状记忆合金驱动器的原理,以及各主要功能环节的实现方式。研究探讨了旋转驱动器的实现可能,并设计了基于三缸曲柄滑块机构的形状记忆合金旋转驱动器,拓宽了基于形状记忆合金驱动器的发展潜力和应用前景。     

松质骨流-固-热多场耦合微流速渗流实验研究及数值分析

在达西定律基础上自主研制了松质骨流固热多场耦合微流速渗透率测量装置,利用该装置对猪股骨结节新鲜松质骨进行了渗透试验,得到了该材料在不同的压力和温度下的渗透率,并且和理论数据进行了对比.建立了松质骨在流-固-热多场耦合下孔隙度和渗透率随温度和压力变化的动态数学模型.分析了实验过程中温度和流体压力等因素对实验结果的影响,讨论了该试验装置的相关应用范围和发展前景.     

形状记忆合金驱动的曲柄滑块机构多目标优化设计

提出了一种应用于水下机器人方向舵、滑块为原动件的曲柄滑块传动机构,形状记忆合金差动驱动是该机构的突出特点.分析了形状记忆合金差动驱动的曲柄滑块机构运动机理,基于形状记忆合金驱动器的变形能力和力学性能,采用多目标优化设计理论和算法,对形状记忆合金差动驱动的滑块行程和作用在滑块上的初始驱动力进行了综合优化,得到了曲柄滑块机构的结构优化参数,同时为形状记忆合金差动驱动器的性能参数设计提供了理论依据和设计准则.虚拟样机仿真试验验证了机构良好的驱动和传动性能.     

用于柔性机械手的形状记忆合金驱动器滑模控制研究

提出了一种新型结构形式的形状记忆合金驱动器——内嵌式形状记忆合金驱动器。该驱动器将U形回复形状记忆合金丝嵌入弹性硅胶棒内，通过温控方式实现驱动器的往复可逆弯曲运动，对外稳定输出力和位移。研究了驱动器运行机理，探讨了基于形状记忆合金电阻反馈的变结构滑模控制策略，进行了仿真和实验研究。     

盘式制动器摩擦副热力场应力场耦合分析

盘式制动器以制动平稳、制动感良好等优点在汽车上得到广泛应用。其摩擦副温度、应力等多场耦合是设计和选材的重要参考。根据其结构特点和工作性能,以摩擦副的多场耦合为分析对象,建立其三维分析的有限元模型,采用非线性相关理论和分析方法,对制动器的工作过程进行模拟分析。分析结果可知制动器摩擦副的多场分布规律,在制动器的轴、径等两个方向上,温度场存在着明显的温度变化,与之对应的也有非常大的热应力。采用制动器实验进行模型验证,实测温度变化曲线与温度仿真曲线变化趋势一致,证明所建立的制动器仿真模型及分析结果的准确性与可靠性,为同类研究提供参考。