超磁致伸缩执行器应力耦合磁化模型及求逆算法

超磁致伸缩执行器在其工作过程中易受环境影响,尤其在精密定位与进给应用中,执行器最易受外部应力的影响.将工作在压应力影响下的超磁致伸缩执行器作为研究对象,引用均质能量场模型和磁机耦合理论,利用磁机耦合理论中求取的平均磁化强度作为均质能量场模型中的磁滞算子,并引入应力对均质能量场模型中矫顽场密度函数及交互场密度函数的影响,提出了超磁致伸缩执行器应力耦合磁化模型.对模型进行了离散化处理,并根据离散模型给出了求逆算法.对执行器在受0、10、20、100MPa压应力下进行了仿真,计算且图示了求逆算法与模型的误差,仿真结果证明了模型和求逆算法的有效性.     

超磁致伸缩换能器磁滞模型研究

本文主要阐述了超磁滞伸缩换能器的自由能磁滞模型,着重分析了该自由能磁滞模型的特点,巧妙地提出了能高效地实现此自由能磁滞模型的数值实现方法,通过与已有文献的计算数据和实验数据对比表明本文所提出的数值实现方法在提高计算效率的同时保证了计算精度.     

超磁致伸缩材料磁滞建模方法国内外研究现状评述

建立有效的磁滞非线性模型是超磁致伸缩材料(GMM)应用过程中的关键问题。阐述了磁滞现象的特性与产生机理,将现有的磁滞模型分为数学模型和机理模型两类,并从其内在机理、历史沿革、实现难易、适应范围与限制条件等方面对不同模型进行了综合比较评价,重点讨论了Preisach模型和J-A模型两种最具代表性的模型,并对未来磁滞建模发展的方向进行了展望。     

超磁致伸缩执行器热误差补偿及抑制方法研究

超磁致伸缩执行器是典型的物性型现代执行器,在精密、超精密加工领域有着广阔的应用前景。对超磁致伸缩执行器的热误差实施有效的补偿或抑制等措施,可以消除或抑制由于温升带来的不利影响,提高执行器的输出精度,这是超磁致伸缩执行器的关键技术之一。针对这一问题,提出了6种热误差补偿及抑制方法,并介绍了这些方法的实现原理,分析了它们的特点及适用场合,同时,对自行研制的相变水冷组合温控系统进行了试验,取得满意的效果。提出的热误差补偿与抑制方法可用于指导各种场合的超磁致伸缩执行器的研究和开发。     

超磁致伸缩薄膜执行器的模型建立

超磁致伸缩材料的研究已有几十年的历史,其制备工艺已比较成熟,并己实现了工业化生产及应用,但超磁致伸缩薄膜器件的理论建模及计算机模拟研究却鲜见报道,因此有必要开展磁致伸缩薄膜的计算机模拟工作,建立物理机制清晰、可应用于工程实际的数学模型,从而为薄膜器件的实际应用提供理论指导.建立了超磁致伸缩薄膜的磁-机械强耦合模型,并且进行了理论推导,应用无单元Galerkin方法进行数值计算,并与实验值进行比较,对模型的正确性进行了验证.     

超磁致伸缩驱动器设计准则的建立

在分析超磁致伸缩材料的工作特性、超磁致伸缩驱动器的基本结构与工作原理的基础上,给出了超磁致伸缩驱动器的设计准则．在所提出的设计准则指导下,开发了用于振动主动控制的超磁致伸缩驱动器,并对其主要特性参数进行了测量．实验结果表明,该驱动器的输出性能达到了设计要求。验证了该设计准则的有效性和实用性．     

凝固速率对稀土超磁致伸缩材料定向凝固取向的影响

通过对稀土超磁致伸缩材料定向凝固过程的分析，在现代凝固理论的基础上，结合凝固设备的热传导特点，导出了制备具有〈１１２〉择优取向的Ｔｂ－Ｄｙ－Ｆｅ合金样品的必要控制条件，并运用该条件检验和分析了定向凝固Ｔｂ－Ｄｙ－Ｆｅ合金样品取向，结果表明，在约１００Ｋ／ｍｍ的温度梯度条件下，直径小于１１．５ｍｍ的Ｔｂ－Ｄｙ－Ｆｅ合金样品，在２００μｍ／ｓ以下的凝固速率都能获得轴向〈１１２〉取向。随样品直径增大，凝固速率应该减小。在低于１００μｍ／ｓ凝固速率时，直径２０ｍｍ样品也获得了整体轴向〈１１２〉取向。更大直径的样品要求凝固设备的加热速度和冷却强度与之相匹配。     

超磁致伸缩多层悬臂梁的场致弯曲

利用四参量模型系统研究了由超磁致伸缩（GMS）薄膜材料制备的多层悬臂梁的弯曲问题，其中包括GMS/NMS（非磁衬底）、GMS/GMS、GMS/NMS，GMS等悬臂梁体系．针对此3类悬臂梁研究了它们的弯曲挠度等弯曲特性与构成悬臂梁的各种参数的关系，为进一步设计和优化新型悬臂梁体系给出了一些建议性结论．计算结果表明，GMS/GMS双层悬臂梁，其挠度最大值总是大于具有相同几何结构的其它悬臂梁体系。当在悬臂梁系统中需要使用非磁衬底时，较软而且较薄的衬底有益于得到更大的弯曲挠度，相比之下，两层薄膜较硬，因此薄膜不宜过厚．两层磁致伸缩材料的最优厚度比主要由两层材料的弹性模量比决定，即较软的薄膜需有较大的厚度。由于弯曲后悬臂梁自由端位移向下．因此较硬的磁致伸缩薄膜2（沉积在衬底下表面上的薄膜）有益于增加GMS/NMS/GMS3层悬臂梁的挠度．     

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.     

超磁致伸缩稀土换能器测量系统

本文介绍了一种超磁致伸缩稀土换能器测量系统，并应用此系统对超磁致伸缩稀土换能器进行了测试，得到了满意的结果。     

超磁致伸缩驱动器自适应精密驱动控制研究

超磁致伸缩驱动器(GMA)虽然具有很多优点,但是超磁致伸缩材料(GMM)在磁化过程中存在磁滞非线性,磁滞误差可达20 %,要解决这一问题,必须对GMA采用精确有效的方法实现建模,并用于GMA驱动位移精密控制。研究中采用LMS算法对研制的GMA进行自适应系统模型辨识,用不同频率的正弦信号和方波信号作为输入,辨识模型都能精确逼近GMA输出信号,辨识精度高达0.069 μm;最后采用Fx-LMS算法对GMA进行驱动位移控制实验,通过在线辨识有效减小磁滞误差,提高控制精度。     

巨磁致伸缩自适应精密驱动和振动控制

针对巨磁致伸缩系统的自适应精密驱动和微振动控制系统,结合受控自回归滑动平均模型(CARMA)与递推增广最小二乘法（RELS）相结合对巨磁致伸缩驱动器（GMA）实现在线模型辨识;分别用不同类型的信号作为输入,辨识模型能精确描述GMA输出位移,辨识误差达0.23 %;将改进的广义预测控制算法（MGPC）应用于GMA的闭环位移控制,与最小方差自适应控制（MVSTR）相比,MGPC具有更好的实时性和更高的控制精度,在0～10 μm给定位移下,其驱动控制误差达0.143 μm。最后基于上述CARMA模型和MGPC算法对GMA隔振系统进行微振动控制实验,抑制效果达到20 dB。该研究结果对精密工程及航天振动控制应用具有一定的价值。     

巨磁致伸缩材料及应用研究进展

巨磁致伸缩材料是20世纪70年代发展起来的新型功能材料,具有应变大,能量转换效率高等优点,在功能转换、智能驱动、智能传感等高技术领域有重要应用。简要介绍了磁致伸缩及巨磁致伸缩材料的发展历史,从稀土巨磁致伸缩材料、非稀土巨磁致伸缩材料的合金化研究、制备技术和应用技术等方面综述了我国巨磁致伸缩材料的发展历程,介绍了我国的科研工作者在巨磁致伸缩材料研究领域所取得的重要研究成果,最后对巨磁致伸缩材料发展及应用进行了展望。     

巨磁致伸缩薄膜-衬底悬臂梁系统的力学特性

利用四参量能量极小化方法求解了任意薄膜／衬底厚度比悬臂梁系统的弯曲问题．在此基础上重点分析了磁膜应力和应变与构成悬臂梁的两种材料的几何参数和物理参数的关系,给出了这些参数对磁膜-衬底悬臂梁系统中平面弯曲特性的影响．计算结果表明,中平面在一般情况下是各向异性的,且随着磁膜厚度的增加中平面迅速下降;磁膜应力随着膜厚增加而减小,应变随膜厚增加而增加;材料泊松比对垂直于磁化方向的应力和应变以及中平面的影响很大,但是,泊松比对磁化方向的应力、应变和中平面的影响很小,可以忽略不计．     

稀土超磁致伸缩材料微位移机构综合实验研究

研究了稀土超磁致伸缩材料（Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３）Ｆｅｌ．９（商品名为Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ）微型移机构的设计方法,建立了基于Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒的高速强力微位移机构的动态响应科技司模型,对该模型进行了计算机仿真,并与实验结果进行了比较、分析,给出了该机构的力特性、热特性,这些对基于Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ的产品真有重要的参考价值。     

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.     

磁致伸缩材料作动器在振动主动控制中的应用研究

磁致伸缩材料作动器是一种具有特色的机敏材料作动器。本文在自行研制Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ作动器及其特性试验的基础上，研究该类作动器在主动隔振与主动吸振中的应用。文中提出并导出了多通道前馈控制的时延滤波—ｘＬＭＳ法，并就这种算法的收敛性进行进一步的讨论。     

Numerical Simulation of Nonlinear Dynamic Responses of Beams Laminated with Giant Magnetostrictive Actuators

This paper presents some simulation results of nonlinear dynamic responses for a laminated composite beam embedded by actuators of the giant magnetostrictive material (Terfenol-D) subjected to external magnetic fields, where the giant magnetostrictive materials utilizing the realignment of magnetic moments in response to applied magnetic fields generate nonlinear strains and forces significantly larger than those generated by other smart materials. To utilize the full potential application of the materials in the function and safety designs, e.g., active control of vibrations, the analysis of dynamic responses is requested in the designs as accurately as possible on the basis of those inherent nonlineary constitutive relations among stain, force and applied magnetic field existed in the materials. Here, a numerical code for the nonlinear vibration of laminated beams is proposed on the basis of a nonlinearly coupling constitutive model which fully behaves for the characteristics what are measured in experiments. It is found from this code that the natural frequency of the laminated beams changes with both the bias magnetic field and the pre-stresses, and the dynamic responses excited by an alternating magnetic field of simple harmonic form display strong nonlinear characteristics, for example, the frequency multiplication and the ultraharmonic resonance phenomena.     

压电驱动器的非对称迟滞模型

为了补偿压电驱动器的非对称迟滞,提出了改进型Maxwell迟滞模型.Goldfarb提出的经典Maxwell迟滞模型由多个基础单元并联叠加而成,其基础单元为单个弹簧-物块单元,迟滞特性为平行四边形,故只能描述对称迟滞.为了能描述压电驱动器非对称迟滞,提出了基础单元迟滞特性为梯形的模型.为了简化算法程序,将梯形单元优化为两个三角形单元组合而成.为了验证该模型,以压电工作台为实验对象,运用该迟滞模型的逆模型进行迟滞补偿控制.单独的迟滞逆模型前馈开环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差从7.37％降到了1.56％,输入输出基本呈线性关系.逆模型结合PID复合反馈闭环控制实验结果表明,位移跟踪相对误差进一步降低到0.53％,输入输出呈很好的线性关系.这表明本文所建立的迟滞模型能很好地描述压电驱动器非对称迟滞特性.