阀用超磁致伸缩致动器偏置磁场分布结构设计

在液压阀工作空间环境限制的条件下,设计了一种体积精小、结构紧凑的阀用超磁致伸缩致动器。针对该种致动器内部偏置磁场强度均匀性较差的问题,利用有限元仿真方法对其偏置磁场分布结构进行了分析及设计,通过引入磁场不均匀度及平均磁场强度两性能指标对偏置磁场分布结构进行区别,同时结合实际情况,确定了最佳偏磁分布结构为超磁致伸缩棒段数n=3时;制作了阀用超磁致伸缩致动器试验样机,并对样机磁场强度进行了测试。实验结果表明,超磁致伸缩棒表面的磁场分布与仿真结果具有相同的变化趋势,其磁场不均匀度约为22.7%,说明所设计偏置磁场结构是合理的,该研究对于液压阀件的设计具有一定意义。     

高频磁致伸缩换能器输出特性测试与优化控制

高频磁致伸缩换能器的谐振状态和输出特性受电磁激励条件、发热程度以及负载状况等多种因素共同影响。为了提升高频磁致伸缩换能器的输出性能,本文深入研究了工作温度和负载变化对换能器谐振频率和最佳偏置磁场的影响规律并设计了闭环控制系统。首先,依据换能器阻抗圆图和输出加速度特性,对不同温度和负载下磁致伸缩换能器的谐振频率与最佳偏置磁场进行了实验测试以发现其变化规律;然后,基于测试数据建立了反向传播（Back Propagation,BP）神经网络预测模型并采用遗传算法和粒子群算法对BP神经网络进行优化以表征温度和负载与谐振频率和最佳偏置电流之间的非线性关系;最后,搭建了磁致伸缩换能器的闭环控制系统并利用预测模型的预测结果实时调整闭环控制器的参考值以实现谐振频率和最佳偏置磁场的自动追踪,实验结果证明了该控制系统优化换能器输出特性的有效性,不同工况下可使换能器的输出加速度幅值平均提高25.65%。     

稀土超磁致伸缩换能器磁路设计与仿真

稀土超磁致换能器的主要作用是实现电—磁—机三种能量的转化,即交变电流作用下在线圈中激发磁场,使位于偏置磁场和线圈激发磁场中的稀土超磁致伸缩棒,在叠加磁场的激励下产生伸缩运动,输出机械力和位移,该过程中磁能起到了举足轻重的重要作用。基于稀土超磁致材料设计了一种可以应用于超声挤压强化加工领域的直动型双向输出换能器,并采用了有限元软件ANSYS对其进行了磁路的优化和仿真。结果表明:闭磁路系统辅以偏置磁场有利于稀土超磁致棒区域磁场强度的均匀分布,解决倍频现象,同时也得出了稀土超磁致换能器的最佳电流驱动密度,这对换能器的结构设计和磁路优化具有重要意义。     

超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。     

基于逆磁致伸缩效应的超磁致伸缩磁力控制器件建模

超磁致伸缩器件的输入应力与输出磁通密度存在着滞回非线性.基于Jiles-Atherton模型、磁机械效应方法定律和磁路定律,建立一个超磁致伸缩磁力控制器件的滞回模型.试验结果表明,该模型能较好地描述在变化应力和恒定偏置磁场作用下,超磁致伸缩器件输入应力与输出磁通密度及磁力的滞回关系,并可以预测偏置磁场对器件输出性能的影响,从而对器件的设计与分析具有重要指导意义.     

超磁致伸缩致动器优化设计与特性测试

设计了超磁致伸缩致动器(GMA),对线圈尺寸及绕线进行了优化设计,并测试了超磁致伸缩致动器的静、动态特性。在分析超磁致伸缩材料特性的基础上设计了GMA基本结构,并确定了偏置磁场的加载方式。研究了线圈尺寸参数对线圈轴线上磁场分布和线圈的电-磁转换效率两方面的影响,优化设计了线圈的尺寸;提出了线圈功耗表达式并分析了绕线直径对功耗的影响,择优选取了绕线。实验表明GMA具有较好的静态、动态特性,且GMA工作特性与设计参数相吻合,证明了线圈优化设计的合理性。     

超磁致伸缩微位移驱动器设计

针对超磁致伸缩材料,设计一种超磁致伸缩微位移驱动器并实现对其控制。在分析超磁致伸缩材料工作特性和超磁致伸缩驱动器工作原理的基础上,确定超磁致伸缩驱动器的结构参数,并应用有限元软件对超磁致伸缩驱动器的机械结构进行电磁场分析,比较无偏置磁场和含偏置磁场下超磁致伸缩材料所处位置的平均磁场强度,验证驱动器机械结构的合理性。同时设计压控电流源,利用基于数字信号处理器的控制器中数模转换电路控制压控电流源,使激励线圈配合偏置线圈产生所需磁场。实验表明,在给定预紧力和偏置磁场条件下,超磁致伸缩材料在2A激励电流下可输出行程为27.1μm,位移精度0.1μm,磁滞回线的平均厚度为3.29μm,验证了超磁致伸缩驱动器结构设计的合理性。     

超磁致伸缩电静液作动器输出流量影响因素分析

首先对作动器的工作原理进行分析,随后建立了作动器系统的数学模型,通过仿真分析得到超磁致伸缩执行器输出位移与驱动频率的关系,泵腔内活塞直径、泵腔高度与作动器输出流量的关系以及系统偏压与作动器输出流量的关系。对超磁致伸缩执行器进行实验和仿真对比,验证了仿真模型的正确性。对影响超磁致伸缩电静液作动器输出流量的几种因素进行总结,给出了这些影响因素在超磁致伸缩作动器设计与优化中的选取准则。     

基于反转威德曼效应的管道扭转导波监测换能器设计北大核心CSCD

针对预磁化式磁致伸缩扭转导波换能器换能效率低、磁致伸缩材料消磁导致无法长期监测的不足,文中基于反转威德曼效应设计了一种永磁式磁致伸缩扭转导波换能器,适用于长距离管道健康监测。首先,阐述磁致伸缩扭转导波换能器换能机理,提出管道周向永磁阵列和柔性曲折线圈换能器结构。然后,使用COMSOL Multiphysics软件对换能器偏置磁场进行仿真,研究永磁铁对偏置磁场的影响,并确定永磁铁阵列参数。最后,在管道中激励扭转导波,实验研究磁致伸缩贴片宽度对换能器频率响应特性的影响。实验结果表明:设计的换能器能够在管道中激励纯净的T(0,1)模态导波,通过调整磁致伸缩贴片宽度,能够改变换能器中心频率。     

超磁致伸缩谐波电机致动器设计方法与特性研究

针对普通谐波齿轮传动需由电机经波发生器输入运动和动力,空间利用率低、惯性大、高速响应差的问题,提出一种由超磁致伸缩材料驱动的有源谐波电机。致动器作为谐波电机动力源及换能装置,对其磁场强度、均匀性、漏磁及空间限制等均有严格要求,据此提出分段内置式永磁结构布局,充分利用空间并改善均匀性;通过对偏置磁场和驱动磁场强度及均匀性影响因素研究,优化致动器参数;随后利用有限元法建立致动器模型并对磁场特性仿真分析;根据优化结构研制出超磁致伸缩谐波电机致动器样机,并对其输出特性试验研究。理论分析与试验结果表明,分段内置式永磁结构漏磁极小,所提出的设计理论和方法,保证了磁场强度和均匀性的同时也保证了致动器工作在准线性范围内,输出规律符合啮合要求,易于实现精准控制,为超磁致伸缩谐波电机走向实际应用奠定了基础。     

具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器

为改善惯性压电驱动器输出性能,提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上,定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响,建立了机构的力学模型方程,推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机,搭建了试验系统;进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明:偏置距离为15mm时,驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比,驱动电压为100V、23Hz时,驱动器输出最大角速度从3.48rad/s增加至5.39rad/s,增幅达54.88%,驱动器最大驱动力矩从2.41N·mm增加至3.62N·mm,增幅达50.2%;驱动电压为100V,4Hz时,驱动器稳定运行时的承载量达1 300g。理论与试验结果表明,提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。     

稀土超磁致伸缩执行器优化设计及控制建模

研究了超磁致伸缩执行器设计中电、磁、机械及热设计中的优化方法，包括线圈的几何尺寸优化、磁路及偏磁场设计、预压力设计、考虑温度效应的修正模型等；建立了超磁致伸缩执行器基于输入电压一输出位移的控制模型，实验测得系统频率响应曲线与仿真结果一致。     

高灵敏度光纤磁场传感器的设计与模型研究

根据磁致伸缩效应和光纤腔衰荡技术设计了高灵敏度的磁场传感器。基于Jiles-Atherton模型、二次畴转模型和光纤衰荡技术波长解调原理,建立了磁场传感器的数学模型,模型反映了磁场-应变-光纤腔衰荡时间之间的耦合机制。对不同预应力作用下Terfenol-D棒的磁致伸缩输出应变、衰荡时间、系统灵敏度与磁场之间的变化规律进行了理论分析和仿真研究,结果表明,该传感器具有很高的灵敏度,可通过改变预应力实现不同量程范围内的磁场测量,研究可为发展新型的高灵敏度磁场传感器提供了理论指导。     

形状记忆合金线性驱动器的设计及位移特性分析

为克服传统带有偏置装置形状记忆合金驱动器结构复杂、响应速度慢的缺点,利用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)的单程形状记忆效应,设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器,该驱动器由两根形状记忆合金丝、滑轮、部件、导轨、支座及固定螺钉组成。接着基于Brinson一维本构方程及转换方程,推导出两根SMA丝在不同条件下的应变表达式;提出将马氏体相变应力看作体力,分析温度变化与驱动器位移的关系及外载荷变化对驱动器最大位移的影响。对计算结果进行试验验证,结果表明,所设计驱动器可实现往复双程运动;随着SMA丝温度的升高所获得的位移呈非线性增大,当温度超过奥氏体转变结束温度Af,位移达到最大,而初始化过程获得的最大位移为正常运动的一半;增大载荷,驱动器的最大位移逐渐减小,当载荷达到51.0 N时,驱动器停止运动,即位移减小为零。     

Non-linear compensation and displacement control of the bias-rate-dependent hysteresis of a magnetostrictive actuator

Magnetostrictive actuators invariably exhibit bias-rate-dependent hysteresis, which could cause vibration and error in the micro-positioning control. We present a methodology for linearization control for the hysteresis of a magnetostrictive actuator with a wide range of input rates and biases. The hysteresis compensation is attained through application of a dynamic Bouc-Wen model and experimental measured hysteresis properties of the magnetostrictive actuator under inputs with different frequencies and biases. The effectiveness of the compensator for hysteresis is demonstrated through experimental results of the magnetostrictive actuator under inputs at different frequencies and bias levels. Based on the proposed compensator, a displacement PID controller is applied to force the output displacement of the magnetostrictive actuator to track the desired displacement accurately thereafter. The maximum absolute tracking errors is 0.052 μm. Compared to the control results without the compensator, the compensator can reduce the control error by about 85%. The results indicate that this study provides an effective method which can compensate the hysteresis of the magnetostrictive actuator under different frequencies and biases of inputs.     

主动主反射面天线促动器调整量计算与误差分析

主动主反射面天线通过调整安装在面板下方的促动器来提高表面精度,现有的促动器调整量计算方法多数忽略了面板弹性变形对调整精度的影响。文中通过力学仿真模拟来表征促动器调整过程对面板自身弹性变形的影响。首先,构建单块反射面面板变形拟合模型,并对拟合模型的权重进行优化,进而推导出整个反射面的变形拟合模型;其次,考虑到实际工程中相邻面板共用促动器,因此对促动器编号进行归并,进而推导出相邻面板共用促动器时促动器最佳调整量的计算模型。为了验证面板变形拟合模型的计算精度,分别从拟合模型的变形表征能力和促动器调整量的计算精度两个方面开展仿真验证工作,并从促动器调整误差和促动器故障两个方面分析促动器调整误差对反射面调整精度的影响,为工程中评估促动器调整精度提供参考。     

FEM COUPLING FIELD ITERATION AND ITS CONVERGENCE FOR A GMM ACTURATOR

The coupling iteration (CI) of the finite element method(FEM) is used to simulate the magnetic and mechanical characteristics for a GMM actuator. The convergent ability under different prestress and different load types is investigated. Then the calculated deformations are compared with the experimental values. The results convince that the CI of FEM is suitable for the simulation of energy coupling and transformation mechanism of the GMM. At last, the output deformation properties are studied under different input currents, showing that there is a good compromise between good linearity and large strain under the prestress 6 MPa.     

影响超磁致伸缩执行器中逆效应性能的主要因素

超磁致伸缩材料(GMM)是一种具有双向可逆换能效应(磁-机、机-磁)的新型功能材料,利用其逆效应在超磁致伸缩执行器(GMA)驱动过程中感知出传感信号,可实现自感知执行器.探讨超磁致伸缩逆效应的机理,设计一种试验方法,验证了超磁致伸缩执行器中的磁致伸缩逆效应.揭示预压应力、偏置磁场和激振力频率等因素对超磁致伸缩逆效应性能的影响规律,预压应力越大则逆效应性能越差,适当的偏置磁场可使逆效应性能显著增强,激振力频率越高,力感知灵敏度越高,但不成简单的正比关系.试验证明了GMA作力传感器有效性,提出一种分时结构的自感知GMA.     

Vibration control of smart hull structure with optimally placed piezoelectric composite actuators

Active vibration control to suppress structural vibration of the smart hull structure was investigated based on optimized actuator configurations. Advanced anisotropic piezoelectric composite actuator, Macro-Fiber Composite (MFC), was used for the vibration control. Governing equations of motion of the smart hull structure including MFC actuators were obtained using the Donnell-Mushtari shell theory and Lagrange's equation. The Rayleigh-Ritz method was used to obtain the dynamic characteristics of the smart hull structure. Experimental modal tests were conducted to verify the proposed mathematical model. In order to achieve high control performance, optimal locations and directions of the MFC actuators were determined by genetic algorithm. Optimal control algorithm was then synthesized to suppress structural vibration of the proposed smart hull structure and experimentally implemented to the system. Active vibration control performances were evaluated under various modes excitations. Vibration tests revealed that optimal configurations of MFC actuators improved the control performance of the smart hull structure in case of the limited number of actuators available.