锆钛酸铅镧陶瓷光致微位移的闭环伺服控制

利用锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的光致形变效应,提出了一种光控微位移伺服系统,并通过实验对其闭环伺服控制特性进行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服系统的多物理场耦合数学模型,通过静态实验对光照与光停阶段PLZT陶瓷光致形变表达式进行了参数识别。搭建了PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服控制实验平台,基于ON-OFF控制策略,在不同光照强度下对PLZT陶瓷的光致微位移进行了闭环伺服控制实验。结果表明,通过对紫外光源施加ONOFF控制,能够实现PLZT陶瓷输出位移的闭环伺服控制。PLZT陶瓷输出位移曲线在伺服控制阶段出现超调量之后,围绕目标值上下波动。光致微位移伺服系统的响应速度、超调量与波高随着光照强度的增强而增加;在400mW/cm2光照强度下,PLZT陶瓷输出位移到达目标值的时间仅为100mW/cm2光照强度下的20%。实验结果为PLZT陶瓷在微驱动方面的工程应用奠定了基础。     

光控压电混合驱动特性及影响因素分析

提出光控压电混合驱动,即利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅(PbLa Zr Ti,PLZT)在紫外光照射下产生的光电压驱动压电作动器。这种新型光控方式的研究实现了PLZT作动器的非接触激励、抗电磁干扰的光激励特性与压电作动器响应速度快等优势互补。基于等效电学模型建立了在光-热-力-电等多能耦合作用下,压电作动器驱动电压及应变的本构模型;对作动器应变滞后性进行试验分析并与PLZT作动器进行了对比;对光控压电混合驱动的影响因素进行研究,探讨了光照强度、作动器电极表面面积、厚度等尺寸参数对作动器驱动电压的影响规律。     

精密磁致伸缩致动器的动态非线性多场耦合建模

为提高超磁致伸缩致动器(GMA)的精度,描述其在动态和准静态环境下的复杂磁滞行为,设计了具有精密位移输出的GMA,建立了包含磁滞及涡流损失的动态非线性多场耦合模型。首先,采用模块化方法设计了GMA;然后,利用热力学理论和能量守恒定律,建立了超磁致伸缩材料非线性多场耦合本构模型;最后,通过分析材料非线性本构行为与系统结构动态行为间的耦合过程,提出了GMA的动态非线性多场耦合模型。实验分析了能量损失及预紧力对系统特性的影响规律。结果表明:预紧力可改善系统输出特性且存在最佳预紧状态;建立的模型能够较准确预测位移,平均相对误差约为4.5%。另外,随着频率增加,异常和涡流能量损失以及磁滞量会增大,磁滞行为源于磁畴不可逆运动过程中的能量损失。实验还显示:对于精密GMA系统,不能忽略高频涡流效应。建立的模型较准确地描述了动态及准静态环境下GMA的复杂磁滞行为,由于考虑了材料本构行为耦合和系统动态行为耦合,进一步提高了GMA系统的精度。     

异步电主轴三维热误差多物理场耦合分析及计算

为综合考虑高速异步电主轴径向形变及轴向形变对其热误差的影响,分析电主轴各部分损耗。计及径向及轴向形变热误差,提出一种基于电磁-热-机械多物理场耦合的电主轴形变分析方法。分析电主轴机械结构、损耗、温升、电磁等物理场的耦合关系,设计多物理场耦合热误差分析模型计算流程。对异步电主轴进行三维有限元建模,并对其采样点的温升进行计算,并通过实验得出采样点的温升曲线,对比两条电主轴采样点的温升曲线可以验证有限元仿真的准确性。在有限元模型基础上进行多物理场计算,计算结果表明,电主轴由于机械和电磁损耗产生轴向热误差为6.54μm,由于径向形变而产生的基频气隙磁感应强度畸变率为7.6%,基于Maxwell张力张量法得到径向热误差为39μm。研究结果为机床误差分析及优化设计提供了理论基础。     

L-L模式磁电双层复合材料的正、逆磁电效应研究

基于纵向磁化磁致伸缩材料的压磁本构方程、纵向极化压电材料的压电本构方程及磁电材料的运动方程,分别建立了正、逆磁电效应的磁机电等效电路,并推导了纵向磁化与极化(L-L)模式磁电双层复合材料的正、逆磁电系数的计算公式。获得了正、逆磁电效应随频率的变化关系;同时,该计算公式还能研究压电材料参数或磁致伸缩材料参数对正、逆磁电效应的影响。研究表明,对于L-L模式磁电双层复合材料产生的纵向振动模式,理论结果与实验有很好的一致性,因此,期望该理论能在磁电换能器件及能量捕获器件的设计中获得应用。     

光控伺服系统及在流体控制中的应用研究现状与发展

本文介绍了一种新型的光控伺服系统，应用光信号作为伺服系统的控制信号，应用光驱动器作为系统的执行机构，并简要叙述了光控伺服系统在流体控制中的应用研究现状及最近发展概况，特别是利用ＰＬＺＴ陶瓷的光致伸缩效应（根据光信号来控制极化后的ＰＬＺＴ陶瓷的伸缩量）实现的光控伺服系统，可完全消除传统电伺服系统中的电磁干扰，具有广阔的发展前景。     

压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析

从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的.指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因.通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性的影响.     

功能材料的力、电、磁耦合行为的实验研究

自行研制成功力—电、力—磁耦合加载设备,实现进行多场耦合实验;研究开发出力—电耦合场和力—磁耦合场下的力学量与电磁学量的量测技术,实现测量过程自动化;从而具备了同时对铁电材料施加应力场和电场的技术,对铁磁材料同时施加应力场和磁场的技术。解决了高电压的绝缘、防电弧放电、防电击穿、电荷测量与数据采集等难题,设计一系列有效的实验装置和实验环境。实验研究了耦合场作用下压／铁电材料的本构关系,提出旨在消除内偏场的冲击极化方式;采用三点弯实验,测试了铁电材料的断裂韧度,发现极化方向对断裂韧度的显著影响。将云纹干涉技术应用于力电耦合场作用下裂尖变形场的测量。首次对预制有贯穿裂纹的铁电材料试件进行电疲劳实验,获得了电致疲劳裂纹扩展曲线,发现一些新的电疲劳损伤现象,例如不同载荷作用下裂纹的扩展模式、疲劳裂纹闭合效应、电致裂纹扩展的磨损与击穿等。实验制备并研究0-3联和1-3联铁电复合材料的介电性能、压电性能。制备PZT／MgO纳米复相铁电陶瓷,在保证其压电性能的前提下,改善铁电材料的韧度。有关铁磁材料的实验研究,量测不同力磁耦合载荷作用下纯镍、6号镍、锰锌铁氧体、Terfenol-D等几种铁磁材料的磁滞回线、磁致应变曲线,获得磁导率、磁致伸缩系数、压磁系数、磁弹性系数等。实验研究磁场对Ni52Mn24Ga24单晶与多晶体相变行为的影响。对于三种导磁率的锰锌铁氧体陶瓷,采用在磁场下的三点弯断裂实验和维氏压痕实验,发现外磁场对材料断裂韧度的影响很小。     

耦合场中小尺寸碳纳米管的组合扭转屈曲行为

针对小尺寸碳纳米管在多物理场耦合作用下的组合扭转屈曲问题,提出了基于非局部理论耦合场作用下的力学模型,并研究了该模型的组合扭转屈曲行为.首先,采用连续弹性壳模型,引进热-电-力多场耦合作用下的本构关系,通过引入非局部弹性理论来考虑小尺寸碳纳米管的尺度效应;然后针对多壁碳纳米管层间范德华力和周边弹性介质的影响,建立了基于非局部理论多场耦合作用下碳纳米管的屈曲控制方程.最后,在轴力组合扭转载荷及温度与电压变化影响的工况下,研究了各因素对碳纳米管组合扭转屈曲行为的影响.得到的结果显示了小尺寸碳纳米管组合扭转屈曲行为在多场耦合作用下的响应,揭示了各物理场与组合扭转屈曲行为的关系;同时指出非局部理论下的屈曲载荷与经典理论下的屈曲载荷比值总小于1,说明经典理论高估了小尺寸碳纳米管的组合扭转屈曲行为.     

压电陶瓷驱动器的迟滞特性

针对压电陶瓷固有的迟滞现象对其定位控制精度的影响,对迟滞进行了特征分析和实验验证。基于微观极化机理和机电耦合效应分析了迟滞的成因,分别对不同驱动行程,全行程不同位置和不同起始电压下的迟滞特性进行了对比实验。结果表明:对10V行程的驱动,随着电压区间的递增,平均位移输出先增大后减小,平均迟滞误差从0.419 3μm减小到0.158 9μm;对100V行程的驱动,随着起始电压的增大,平均位移输出从42.882 5μm减小到25.92μm,平均迟滞误差从3.999 3μm减小到1.692 3μm;起始电压每增加15V,位移输出减小5.654 2μm,迟滞误差减小0.769μm。实验结果反映了电畴翻转状况对驱动过程机电耦合效率的影响,有效验证了电畴翻转理论。实验也表明:针对电畴翻转不同阶段所表现的的迟滞特征对压电陶瓷驱动器的迟滞误差进行补偿,可修正或减小迟滞误差带来的影响,为提高系统定位控制精度提供科学的参考依据。     

NiTi丝动态加载行为特性分析

基于形状记忆合金（SMA）的相变临界应力和相变温度关系图，首先对NiTi丝在动态拉伸实验过程的相变进行了分析，然后利用Brinson静态本构方程、能量守恒和传热学理论，对NiTi丝的动态拉伸实验进行了理论建模分析，并在MATLAB6．5下利用该理论模型进行了数值仿真，在中低应变速率范围内进行了动态加栽实验，仿真和实验的结果能较好地吻合。实验结果表明：随应变速率增大，加载过程中相变阶段的应力会增大，而卸栽过程中的应力会减小，应力一应变曲线包围的面积有增大的趋势。分析结果可以为SMA在动态条件下的工程应用提供指导。     

PLZT陶瓷双压电晶体型光执行器件动特性研究

本文介绍一种新型光控系统，系统中应用ＰＬＺＴ陶瓷片作为光执行器件实现光机转换，将两片极化后的ＰＬＺＴ陶瓷片按极化方向相反粘贴，形成双压电晶体型光执行器件，根据光信号来控制ＰＬＺＴ陶瓷双晶片的机械变形，实现光控伺服系统     

温度引起的流体非牛顿特性研究∗

为了研究温度效应对润滑失效的影响,通过求解合理简化后的能量方程,推导出了考虑温度效应的非牛顿流体本构方程。通过实验测得黏温系数,代入工况条件后绘制函数图像。对图像以及所得数据进行分析发现:接触区的出口处为润滑过程的最危险点,随着剪应变率的增大,润滑液首先表现出牛顿流体的性质,然后慢慢出现剪切稀化现象;在剪应变率增大到一定程度时,剪应力会达到极限;此后若剪应变率继续增加,剪应力不再随之上升,将出现润滑失效现象。     

TNTZ钛合金流变行为及物理基本构模型

借助Gleeble-3500热模拟机对Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr(TNTZ)钛合金进行了变形温度为700~900 ℃、应变速率为0.001~1 s-1的等温恒应变速率压缩实验,分析了应变速率和变形温度对TNTZ钛合金流变应力的影响。根据实验数据,计算了不同变形条件下的温升值,分析了变形热产生的规律。综合考虑温度对材料自扩散系数和弹性模量的影响以及应变对合金流变应力的影响,通过多元线性回归拟合材料参数与应变之间的函数关系,构建了基于应变补偿的物理基本构模型。研究结果表明：TNTZ钛合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小;变形热效应引起的温升与应变速率正相关,与变形温度负相关。通过应变补偿建立的物理基本构模型预测精度较高,模型相关系数R达0.964,平均相对误差为10.63%。     

基于应变梯度理论的光栅铝膜本构关系表征及纳米压痕实验

基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型,并逐一表征了相关参数。进行了79g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验,验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设,并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较,结果显示,在有无基底条件下,压痕结果在应力方向上相差0.8倍,在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验,结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明:理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程,有助于在实际光栅刻划过程中减小误差,对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。     

基于动态内热源特性的车用锂离子动力电池温度场仿真及试验

针对电动汽车动力电池在充放电工作过程中由于热量聚集而导致的温度场非均匀性问题,采用数值仿真与试验相结合的方法,基于电池内阻温升特性,考虑耦合正负极耳的热影响,建立生热速率的时变内热源模型,获得更加精确的电池温度场分布及其动态变化规律,并深入进行温度一致性分析。以某车用锂离子动力电池为样本,对电池单体及模块分别进行温升计算和三维温度场分析及相应的测试试验。结果表明:同一充/放电倍率下,放电温升明显大于充电温升,且电池最大温差随着倍率的增大而增大;电池的温升是一个随时间先增大后恒定的非线性变化过程,且随着放电倍率的增大电池温升速率越大;电池模块温度场并非电池单体温度场的简单叠加,且在相同充放电倍率下电池模块的热一致性不如电池单体。     

基于Preisach模型的永磁同步轮毂电机损耗及温度场建模与分析

针对永磁同步轮毂电机运行过程中发热明显,严重影响永磁体性能和电机寿命的问题。开展电机铁心材料磁滞特性试验,测试一维磁化条件下的磁滞回线,考虑不同磁场强度和磁场高频特性对磁滞特性的影响。考虑到经典Preisach理论无法解释磁场频率过高的现象,基于对称小回环（Symmetric minor loops, SML）的密度函数离散化方法建立高频磁场强度变化的磁滞特性模型,通过与试验结果的对比发现该方法预测结果准确,对于在不同频率下的磁化特性有很好的模拟效果。根据铁心损耗的影响因素分析,提出考虑旋转磁化影响、磁密谐波影响的铁心损耗旋-交系数计算铁心损耗。最后建立电机三维温度场模型,仿真计算不同工况下各个部件的温升情况及危险点,并在试验台上进行电机温升试验,与仿真结果进行对比验证。仿真结果电机温度最大值为73.2℃,试验最高温度为72.6℃,证明电机损耗计算以及温度场仿真的准确性。研究结果表明,考虑磁场强度和磁场频率对铁心磁化特性的影响,能有效改善电机电磁计算中的缺陷,提高电机电磁场、损耗及温度预测的准确性。     

激光二极管阵列侧泵浦Nd:YAG板条热效应的研究

为了解决激光二极管阵列侧面泵浦激光板条引起的热效应问题,对于激光板条温度模式分布进行了研究。通过激光板条工作特点分析,建立了符合实际情况的热模型。基于热传导理论,建构了Poisson方程新的求解方法,得出了侧泵板条温度场与热形变场的一般解析表达式。该解析方法不仅解决了将板条内部热流线径向假设造成的温场计算误差问题,而且解决了数值分析方法带来的计算精度不高的问题。研究结果表明：使用输出功率为30W的激光二极管阵列侧面泵浦Nd:YAG板条,考虑耦合到板条侧面的高斯光斑半径为150μm、板条钕离子掺杂质量分数为1.0at.%,板条泵浦面具有102.3 oC的最高温升,泵浦面与通光端面同时发生1.54μm和2.66μm的最大热形变。并定量研究了激光二极管阵列不同泵浦功率以及不同泵浦光斑下Nd:YAG板条温度场的分布情况。研究结果可以用于侧泵板条激光器谐振腔的设计之中,为减小激光系统的热效应提供了理论依据。