磁致伸缩作动器的设计与性能分析

在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了一种微位移作动器．通过有限元分析，对作动器的结构进行优化，得到均匀的偏置磁场和激励磁场；设计了预压力加栽结构和强制冷却结构．对该作动器的动、静态性能进行了测试，结果表明：作动器基本上工作在线性区域内，其位移伸缩量大，低频动态性能较好，高频谐波分量影响较小，相位延迟较小，同时也证明了对作动器的磁场分析和结构优化是正确的．     

超磁致伸缩微位移致动器的研究

 基于超磁致伸缩材料的磁致伸缩特性设计了一种用于微位移驱动的致动器．分析了致动器工作磁场的组成，计算了线圈的工作电流，并以此为依据设计了稳流电源．分析结果表明，设计的稳流电源满足工作要求；线圈提供的工作磁场能够保证超磁致伸缩棒工作在线性区域。     

圆筒状超磁致伸缩致动器磁场研究与仿真

为设计圆筒状超磁致伸缩致动器(GMA),采用基于磁路的方法对圆筒状超磁致伸缩材料(GMM)内的磁场强度进行计算,基于Maxwell软件建立了圆筒状GMA的3D模型并对磁路结构中各部件尺寸及GMA筒内构件的磁导率对磁场的影响进行了仿真研究。结果表明:在闭合的磁路结构中,对于给定的线圈匝数和激励电流,GMM筒中磁场强度大小受GMM筒轴向长度影响较大且为负相关。磁场均匀性方面,影响较大的是穿过圆筒状GMA构件的磁导率和导磁环轴向长度,二者均与磁场不均匀度正相关。     

超磁致伸缩薄膜难磁化轴方向动态特性研究

磁场驱动频率高是限制超磁致伸缩薄膜器件推广应用的关键因素之一,研究如何降低超磁致伸缩薄膜器件的磁场驱动频率对超磁致伸缩薄膜器件的推广应用将具有重要意义。在深入分析超磁致伸缩薄膜存在各向异性根本原因的基础上,结合薄膜磁致伸缩过程中磁畴的运动机理,提出只要能够克服超磁致伸缩薄膜中存在的退磁场,低磁场驱动频率下就可在难磁化轴方向获得更为优良动态特性的新思路。通过建立超磁致伸缩薄膜难磁化轴实验系统进行实验研究,结果表明通过施加合适的偏置磁场克服退磁场,可以使薄膜在难磁化轴方向产生响应优良的超谐共振,为低频驱动GMF器件的研制提供了一种新的思路。     

超磁致仲缩材料在心血管支架加工中微进给补偿控制中的研究

基于超磁致伸缩材料特性对微位移进给进行研究,设计了磁致伸缩致动器应用于心血管支架的加工,建立了致动器的传递函数模型。同时针对超磁致伸缩材料受温度,预紧力等因素影响对位移输出产生较大偏差,设计了PID调节器,并对磁致伸缩致动器控制系统给出了基于MATLAB的仿真,并在此基础上进行了离散化,得到了数字控制系统,并应用到实际中,并对实际输出位移进行对比。经过PID闭环控制调剂后,位移输出有了明显的稳定。     

高精密厂房中高精密平台控制仿真模拟

为进一步提高高精密厂房中平台的隔振效果,在平台控制中考虑超磁致伸缩作动器的非线性特性对多自由度平台混合控制系统产生一定的制约作用,因此将四个超磁致伸缩作动器模型植入混合控制系统进行设计。首先建立一个以空气弹簧和超磁致伸缩作动器为基本元件的多自由度微振动混合控制系统,然后利用Jiles-Atherton模型的概念建立超磁致伸缩作动器的非线性及其逆补偿模型,并将所建立的作动器模型与多自由度微振动控制系统结合。最后对基于作动器模型的混合控制系统与被动控制系统下的高精密平台响应进行对比分析,取得较好的控制效果,为其在实际工程应用中提供可靠的理论依据。     

超磁致伸缩材料ΔE效应理论建模与试验研究

为研究超磁致伸缩材料的ΔE效应,采用Jiles-Atherton模型和磁弹性效应相结合的方法,提出了一种考虑动态应力影响及系数变化的磁化模型。分别对磁场和应力作用下超磁致伸缩材料的磁场-磁化关系和应力-磁化关系进行建模,并根据胡克定律以及二次畴转模型计算出材料在应力和磁场综合作用下的总应变,得到不同外加磁场下材料的应变-应力环。通过对应变-应力曲线斜率的计算,得到超磁致伸缩材料在不同外加磁场下,弹性模量随应力变化规律。搭建了应力测试装置,对不同磁场作用下Terfenol-D的磁化-应力响应和应变-应力响应测试,试验结果与模型计算结果基本一致,结果表明,ΔE效应是磁场能量和应力各向异性平衡的结果,Terfenol-D最大弹性模量变化达到513%。研究成果为新型机电系统变刚度设计提供了理论基础和调控手段。     

超磁致伸缩激振器的结构优化及动态性能研究

超磁致伸缩激振器的结构决定其动态性能。为了提高激振器的动态性能,其驱动线圈采用减少匝数、增加线径、大电流驱动的设计方案。采用叠片式GMM棒,计算了它的几何参数,并选取了最佳的预压应力和磁场强度;设计驱动线圈时考虑了温度的影响,优化了它的几何尺寸和磁路设计,驱动磁场由方波信号叠加直流分量产生;建立了激振器的数学模型,用MATLAB进行了仿真,分析了其阶跃响应。实验表明,激振器的动态性能显著提高,应用效果到达了振动时效的要求。研究结果为超磁致伸缩激振器的结构优化与设计提供参考依据,具有重要的工程应用价值。     

结构地震响应控制的优化方法

针对大跨空间结构地震响应主动控制,以超磁致伸缩材料为核心元件设计了一种可以应用于大跨空间结构振动主动控制中的超磁致伸缩作动器,制作出了作动器的原型并对其进行了输出性能测试。使用遗传算法对大跨空间结构主动控制作动器的布置位置进行了优化设计,最后进行了优化效果的数值模拟分析。以此验证了超磁致伸缩作动器具有良好的作动效应,利用遗传算法在大大提高结构主动控制优化设计效率时,可以保证实现对结构的整体优化以及作动器能高效、经济地实现对结构进行主动控制的目的。     

超磁致伸缩驱动器磁滞非线性数值模拟研究

针对超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)具有磁滞非线性现象,以经典Jiles-Atherton模型为基础,建立了包含偏置磁场强度和预压应力的GMA磁滞非线性模型,进行了数值仿真分析,得到了偏置磁场强度和预压应力对GMA磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的影响规律。结果表明,偏置磁场强度对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较大,调整偏置磁场强度的大小,可改变磁化强度曲线的线性区间,并能抑制或消除磁致伸缩应变曲线的倍频效应;预压应力对磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的形状影响较小,施加不同的预压应力,可改变磁化强度曲线和磁致伸缩应变曲线的变化率。这与现有试验得到的结论相吻合,验证了所建磁滞非线性模型的合理性。     

超磁致伸缩棒磁场强度建模及线圈优化分析

超磁致伸缩棒上的磁场强度对超磁致伸缩致动器(GMA)至关重要,因其幅值和上升、下降时间直接影响致动器的输出力和响应时间.建立电压到磁场强度的模型,并提出较合理的线圈优化方案.将线圈充、放电过程简化为一阶RL线性电路的暂态过程,计算得到线圈电流,并根据线圈电流建立超磁致伸缩棒上的磁场强度模型.由模型可知,致动器尺寸有限制时,棒上磁场强度的优化应主要考虑线圈匝数;通过分析线圈匝数对磁场强度稳态值、上升时间和下降时间的影响确定匝数的取值范围.向线圈施加不同频率和幅值的方波电压信号,得到的模型曲线与测得的实验结果相吻合,从而验证了模型的正确性.     

GMA在脉冲喷射开关阀中的应用

 通过分析脉冲喷射开关阀的工作性能,提出致动器是决定脉冲喷射开关阀特性的关键因素.对比3种致动器的性能参数,指出GMA更适合脉冲喷射开关阀的工作要求.GMA的性能分析和仿真结果给出了在脉冲喷射开关阀中工作的GMA的静、动态特性.脉冲喷射开关阀单脉冲流量实验曲线表明：脉冲喷射开关阀的单脉冲流量随励磁电流的变化规律与GMA的磁致伸缩曲线特性相似,在GMA的磁致伸缩曲线的线性区即可满足单脉冲喷射流量要求.动态实验中,脉冲喷射开关阀的阀芯位移阶跃响应上升时间只有0.81 ms,远远满足脉冲喷射开关阀应用的工作频率要求.     

超磁致伸缩换能器磁力耦合固有特性分析

建立了超磁致伸缩换能器弹性支撑连续体磁力耦合模型,从第一类压磁方程出发,利用简化后得出的轴向压磁方程,建立了超磁致伸缩换能器的磁力耦合波动方程,在静态磁场下对换能器的磁力耦合固有特性进行了理论分析,初步确立了超磁致伸缩换能器的磁力耦合固有频率,并与一般连续体纵向振动固有频率进行了分析比较.     

超磁致伸缩作动器非线性模型辨识研究

准确辨识超磁致伸缩作动器非线性模型参数是位移精确控制的必要条件,针对标准粒子群(PSO)算法存在早熟收敛及迭代后期易陷入局部最优的不足,提出一种可动态调整惯性权重、学习因子及带遗传变异的改进型粒子群(IPSO)辨识算法,该算法可平衡全局和局部搜索能力,提高收敛速度和辨识精度,并将该算法应用于超磁致伸缩作动器非线性模型的参数辨识研究。结果表明:该算法能有效可靠地辨识超磁致伸缩作动器非线性模型参数,计算值和实验的吻合程度较高,并且具有一定的抑噪能力。     

GMA的温度特性分析及热形变被动补偿方法研究

利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应特性制成的磁致伸缩智能构件,位移输出精度可达亚微米级,这为精密与超精密加工领域提供了新的驱动解决方案,这种精密微驱动过程是依靠智能材料的功能性实现的。然而,在磁致伸缩智能构件工作过程中,线圈的焦耳热损耗、材料磁滞与涡流损耗等因素会导致其温度升高,并伴随着材料出现热变形、磁致伸缩系数不稳定等问题,从而严重影响系统的输出性能。为降低温升对磁致伸缩智能构件工作性能的影响,对超磁致伸缩致动器的温度变化特性进行了深入分析,提出一种热形变被动补偿机构,完成了具有热形变自补偿功能的超磁致伸缩致动器设计。实验结果表明,磁致伸缩致动器的主要发热形式和发热源,取决于激励电流形式、工作频率;所设计的超磁致伸缩致动器在工作过程中能够对热形变自动进行补偿。研究结果为提高磁致伸缩智能构件在精密与超精密驱动领域应用过程中的工作精度提供了一种途径。     

考虑铁镓磁特性的换能器输出位移模型与试验

磁致伸缩换能器的换能机制与外加驱动磁场、材料的磁致伸缩特性有不可分割的关系,换能器的输出位移取决于磁致伸缩材料的磁特性、外加磁场、变幅杆等方面。根据等效电路法和平方近似模型,结合材料磁特性和变幅杆振动方程,建立了换能器的输出位移模型,设计了一种无偏置磁场的窗式铁镓磁致伸缩换能器。对铁镓合金材料进行了静态、动态磁特性测量。搭建了试验测试系统,对换能器样机进行了试验测试,完成了模型验证。结果表明：换能器的输出位移幅值理论曲线和试验曲线基本吻合,验证了模型的准确性;在激励电流为2 A、谐振频率为12.4 kHz时,换能器的输出位移幅值为8.22μm。该研究建立的模型和所得结论对换能器的优化设计和输出特性分析具有一定的指导意义。     

磁致伸缩铺层阻尼板壳结构的振动分析

通过理论分析讨论了含磁致伸缩材料和黏弹性材料铺层的层合板壳结构的频率和损失因子。假设黏弹性层仅发生剪切变形, 对磁致伸缩层应用偏置磁场下的线性本构, 推导得到由磁致伸缩层、黏弹性层、复合材料基本层组成的约束阻尼薄壳结构的运动方程, 并求得结构振动频率和损失因子的解。对板、曲板等算例的计算结果表明, 用磁致伸缩材料作约束层可使层合结构损失因子提高。      

超磁致伸缩薄膜研究进展

综述了近几年国内外超磁致伸缩单层膜、多层膜的研究进展;介绍了超磁致伸缩薄膜的制备方法与性能表征;论述了TbDyFe单层薄膜的磁致伸缩和磁学性能以及其成分、应力、热处理、衬底温度等性能的影响因素;详述了超磁致伸缩多层膜组成和结构类型;讨论了热处理、磁场诱导和单层膜厚对多层膜在低场下磁致伸缩和磁学性能的影响,评述和展望了超磁致伸缩薄膜的国内外研发应用现状和发展趋势.     

基于磁化机理的超磁致伸缩执行器磁滞模型

通过分析超磁致伸缩材料磁畴在外加磁场作用下的运动规律,建立了超磁致伸缩执行器基于磁化机理的磁滞模型。该模型结合执行器的工作条件,充分考虑了材料的非线性和滞回特性。模型包括磁致伸缩和磁化两个子模型,磁致伸缩模型描述了材料应变λ跟磁化强度M之间的关系;磁化模型描述了有效磁场Heff、无磁滞磁化Man、可逆磁化Mrev、不可逆磁化Mirr、总磁化强度M之间的关系。通过对实验测试结果进行分析,验证了模型能准确描述输入电流I与输出应变λ之间的关系。     

拉索-磁致伸缩作动器系统PID控制仿真分析

拉索的大幅振动给斜拉桥安全运营带来威胁,利用磁致伸缩作动器施加轴向控制力抑制拉索横向振动是一种可行的方法。首先建立磁致伸缩作动器动力学模型,得到了该作动器力-位移传递函数,然后提出拉索-磁致伸缩作动器系统PID控制算法,根据拉索振动幅度大小通过调节PID控制参数,来施加轴向控制力,达到对拉索的控制效果。最后针对自由振动、简谐激励、随机激励三种情况用PID控制算法对拉索-磁致伸缩作动器系统进行了拉索控制效果仿真分析。研究表明,PID控制算法对拉索振动具有很好的控制效果。