超磁致伸缩换能器有限元动态模型的研究

超磁致伸缩材料是在磁场的作用下能产生巨大伸缩变形的一种新型功能材料,它的应用越来越受到研究人员的关注．将超磁致伸缩材料Terfenol-D应用于换能器中,将极大地提高换能器的性能指标．介绍了超磁致伸缩材料研制的换能器的结构,利用有限元方法建立了磁机械耦合动态模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,计算与仿真表明所建立的有限元动态模型在忽略涡流影响的条件下能够反映换能器的输入输出关系,此项研究对于超磁致伸缩换能器的控制及实验研究具有重要的指导意义。     

超磁致伸缩换能器等效动力学模型研究

对动态磁致伸缩过程进行分析，并建立了超磁致伸缩换能器的等效动力学模型。应用Green函数得到换能器的固有频率值。讨论了超磁致伸缩材料径向振动对其纵向振动的影响。与弹性杆纵振模型的比较表明，等效集中参数模型简便有效，为换能器参数选择提供了设计依据。     

超磁致伸缩薄膜磁-机械特性的弱耦合与强耦合模型的比较研究

随着微机械制造工艺和材料工业的发展,超磁致伸缩薄膜材料的研究与应用成为近年来磁致伸缩应用领域一个新的研究热点．建立超磁致伸缩薄膜的磁一机械特性模型,对于指导器件的设计、仿真具有重要意义．薄膜尺寸非常小,用有限元方法进行单元剖分时会产生严重的网格变形,降低计算精度,这里选用无单元Galerkin方法有效地解决了这一问题．本文对弱耦合模型和强耦合模型进行了分析,对强耦合方法进行了有效的改进,并应用数值计算方法对两种模型进行了比较。     

磁致伸缩微定位平台的设计及特性分析

针对现有微定位平台输出位移小和输出力不足的问题,设计了一种磁致伸缩微定位平台。依据磁致伸缩微定位原理设计了微定位平台的结构,并创建了磁致伸缩微定位平台的动态位移输出模型,通过微定位平台的动态位移输出模型建立了微定位平台的数学模型并计算得出定位平台的位移量;利用有限元仿真软件建立了磁致伸缩微定位平台三维仿真模型,由仿真结果得出磁致伸缩微定位平台的仿真位移量;最后通过实验测量磁致伸缩微定位平台的位移,验证磁致伸缩微定位平台的工作性能。实验测得的结果和仿真计算的结果进行对比可知磁致伸缩微定位平台实际位移量为64μm,计算位移量为60μm,仿真位移量为67μm,三者对比分析,磁致伸缩微定位平台的测量误差较小,精度较高,有一定的应用研究价值。     

超磁致伸缩致动器控制系统的建模与仿真

结合磁致伸缩致动器的结构建立了致动器传递函数模型，对磁致伸缩致动器控制系统进行了仿真，设计了PID调节器，并在此基础上进行了离散化，得到了数字控制系统，为磁致伸缩致动器控制系统的硬件选型和硬软件设计提供前提条件。     

超磁致伸缩执行器的三维非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器工作时超磁致伸缩材料的磁导率会随着应力变化而变化,并存在磁滞损失和涡流损失等非线性问题,同时磁场、电场、温度场及机械应力场之间存在耦合.建立了超磁致伸缩执行器电场、磁场和机械应力场3场耦合的三维非线性动态有限元模型,考虑了超磁致伸缩执行器Terfenol D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失.使用Jile-Autherton磁化模型计算磁滞损失,在商业有限元软件FEMLAB中实现了有限元模型.模型仿真结果和实验结果相一致,验证了所建立模型的正确性.     

超磁致伸缩致动器的数学模型和控制技术

采用超磁致伸缩材料Terfenol-D可以研制出推进力大、量程大、纳米级分辨率的超磁致伸缩致动器,在超精密加工、精密定位、机器人以及微型机电系统等领域有着广阔的应用前景.本文对超磁致伸缩材料的磁化机理、超磁致伸缩致动器的非线性模型、控制技术及精密位移控制系统作了较为详细的评述,并指出了超磁致伸缩致动器的模型与控制技术的发展趋势.     

超磁致伸缩换能器磁路设计及优化

为优化超磁致伸缩换能器的电磁性能,研究了线圈的几何尺寸和磁路元件的选择对换能器磁场特性和输出位移的影响,并进行了磁路损耗和气隙磁导分析.给出了合理的线圈结构参数,提出了在超磁致伸缩材料(GMM)棒两端安装高磁导率的软磁体和减少GMM棒涡流损耗的设计方案,并忽略了气隙的影响.采用有限元方法仿真了不同磁路设计方案对换能器性能的影响,并进行了试验分析.结果表明,在GMM棒两端安装电工软铁能够提高工作磁场强度,减少磁通泄漏,增加换能器输出位移并降低驱动电流,改善换能器的发热情况,从而整体改善超磁致伸缩换能器的性能     

超磁致伸缩材料内部磁场与涡流损耗理论分析

在对纵向激励磁场中超磁致伸缩材料进行分析的基础上,利用Maxwell’s方程建立了用Bessd函数描述的超磁致伸缩材料内部磁场分布函数,由Bessel函数解析方法确立了超磁致伸缩材料内部磁场Kelvin表达式．通过对材料内部磁场分布的定性分析,得出内部磁场具有典型滞回特性．利用磁能理论对材料内部涡流损耗进行了初步理论分析,得出由Kelvin函数表示的材料内部涡流损耗表达式．并对激励频率、电导率、材料半径等因素对涡流损耗的影响进行了初步讨论,为超磁致伸缩材料参数的选取奠定了基础．     

超磁致伸缩构件精密加工异形孔滑模控制

采用一组合趋近律的离散滑模控制方法,用于超磁致伸缩构件精密加工异形孔的高精度、实时微位移控制.该方法通过超磁致伸缩构件驱动模型与异形孔精密加工动力学分析,建立系统的状态方程,并通过微位移实时反馈解决切削干扰力不可测的问题.经微位移控制仿真和实验表明：超磁致伸缩材料(GMM)构件精密加工异形孔的微位移仿真误差在±0.8%以内,并具备快速趋近滑模面和抑制抖振的特点;微位移跟踪实验误差在±5%以内.