基于Preisach理论形状记忆合金电阻-应变滞回模型

随着对形状记忆合金(SMA)研究的不断深入,其几种特殊性质得到了越来越广泛的应用.其中关于SMA电阻一应变滞回模型的研究,已经受到国内外学者高度重视.由于SMA的电阻与应变之间存在有规律性的关系,可以利用这种关系,把SMA作为传感器应用到结构的健康监测中去.但实验表明SMA的电阻-应变关系具有较强的非线性性质,表现出明显的滞回特性.利用Preisach理论建立SMA的电阻.应变模型.在实验的基础上,通过训练得到SMA的电阻-应变表达式,并利用另一组实验数据验证了该方法的有效性,为进一步开展利用SMA电阻特性的结构健康诊断研究奠定了基础.     

基于迟滞非线性逆补偿的振动主动控制仿真研究

由于压电材料本身的特性,压电作动器对外加电场的响应通常表现为多值映射的迟滞特性。这种迟滞非线性会产生与输入信号相关的相位和谐波失真,一方面会造成系统振荡甚至失稳,另一方面会产生谐波,限制系统性能。本文通过仿射原理对迟滞非线性进行建模,并通过神经网络引入迟滞逆模型,以消除迟滞非线性的影响,在此基础上,结合自适应控制LMS方法对引入补偿的迟滞非线性系统的振动传递控制进行仿真研究。结果表明,具有补偿的迟滞非线性系统的控制误差比没有补偿的系统的控制误差明显减小,而且误差收敛速率也明显变大。     

基于改进Preisach模型的音圈电机复杂迟滞建模

针对音圈电机在高频响、高速、高加速度运动时存在的一种特殊复杂迟滞特性,提出一种改进的Preisach迟滞与RBF神经网络相结合的动态迟滞混合模型。采用逐次逼近的思想,第一级通过构造一个改进型Preisach模型,引入非单调信息,使其输出具有非单调迟滞特性。第二级采用动态RBF神经网络对第一级输出的相位和幅值进行补偿,实现对音圈电机实际输出的高精度逼近。基于实测数据的仿真实验结果表明,所提模型对一般迟滞和非单调复杂迟滞的建模都是有效的。与动态神经网络建模相比,具有更高的模型精度。     

SMA迟滞系统的PID控制及参数优化研究

形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)是一类新型功能材料,作为电热驱动器,广泛应用于工程领域。但由于材料内在的非线性性质和迟滞效应使其在控制系统的设计和热力学建模上较为困难,不利于简单控制系统和实时控制的实现。基于Preisach理论给出SMA驱动器系统的温度-位移迟滞模型,分析系统的热传导过程,将传统的比例-积分-微分PID(proportional-integral-differential,PID)策略应用于控制器的设计,并引入蚁群和粒子群两类智能算法优化控制器参数,讨论优化过程和控制效果;与传统PID参数整定方法相比,系统的阶跃响应和正弦信号跟踪性能取得比较理想的效果,且智能算法调节控制器参数的实时性更强,克服非线性和迟滞效应的影响。     

一类二阶迟滞非线性控制系统简谐激励响应的IHB分析方法

针对一类迟滞特性和线性特性可分离的二阶迟滞非线性控制系统,用Backlash神经网络模型逼近系统迟滞非线性部分,建立动力学模型,采用增量谐波平衡法（IHB法）求解该类含比例控制器的迟滞非线性闭环控制系统在简谐激励下的稳态周期解,并引入Floquet理论分析系统周期解的稳定性。通过Runge-Kutta数值积分法对近似迭代法的精确性进行了验证,最后分析了控制器参数对系统性能的影响。     

基于三次迟滞模型的超声电机圆环定子主共振响应

摘 要 将改进的三次多项式迟滞模型用于描述压电材料的弹性迟滞非线性特性,建立了压电材料二维非线性本构关系。根据Hamilton原理和Rayleigh-Ritz假设模态方法,建立了不考虑界面力时旋转行波超声电机圆环定子驻波振动的非线性动力学模型。用多尺度法求解定子的一次近似主共振响应,通过定常解分析,发现定子主共振响应中存在振幅跳跃和多解现象,着重分析了压电材料弹性迟滞非线性参数对主共振响应的影响。结果表明,迟滞参数a使幅频响应曲线左偏并出现多解现象,迟滞参数a和b同时影响系统响应振幅的大小。数值计算验证了解析解的正确性。从理论上揭示了压电材料弹性迟滞非线性对圆环定子主共振响应的影响,为超声电机的优化设计和控制提供了理论依据。     

基于反馈控制的桥梁节段模型干风洞实验仿真

在风场作用中,针对桥梁结构与风荷载耦合而表现出非自伴随动力系统的现象,提出了仅具有5个独立控制参数的桥梁节段主动控制模型来模拟含有8个颤振气动导数的节段风洞试验模型。该模型由刚体所受的分布力系可等效为集中力系原则出发,利用PID反馈控制技术所构造,其在数学力学模型方面与风洞试验模型完全一致。通过几何变换,干风洞实验测量的线位移信号可转换为角位移信号。同时,运用MIMO分析技术可简单而精确获取系统完备的频响函数矩阵,再采用基于复模态理论中左右特征向量的辨识算法识别控制参数。通过数值仿真,验证了主动控制模型的合理性,同时也显示了该模型在桥梁风振研究中的应用价值和推广意义。     

基于形状记忆合金的新型消能减震装置抗震性能研究

本文首先通过形状记忆合金的材性试验研究了形状记忆合金的超弹性变形性能,并将其等效拟合为多线性模型,得到其设计参数,并详细介绍了分析计算时所采用的形状记忆合金的本构模型。然后,针对框架结构的变形特点,提出了一种基于形状记忆合金的消能减震装置,即在底层框架柱的反弯点附近设置锚固装置,形状记忆合金索的上端固定在锚固装置上,将其下端锚固在地下,在震时通过其来回反复变形耗散地震能量。然后通过有限元程序对设置形状记忆合金索的新型框架与普通框架进行静力推覆分析和低周反复分析,研究表明新型框架不仅屈服承载力和极限承载力高于普通框架,而且其滞回环更加饱满,累积塑性滞回耗能能力提高了41.4%,形状记忆合金索的滞回环也很饱满,具有优良的耗能能力,最后,还比较了对角设置形状记忆合金索的框架的耗能能力与本消能减震装置的耗能能力。因此该消能减震装置在减轻框架柱震害方面具有一定的工程应用价值和前景。     

考虑迟滞特性的多级刚度扭转减振器建模及试验验证

利用双曲正切拟合函数,建立了可推广的考虑迟滞特性的多级刚度扭转减振器扭矩传递特性数学模型,并通过了试制的多级刚度扭转减振器特性台架试验验证。探讨了基于不同拟合因子的双曲正切函数在阶跃函数和分段线性函数拟合中的应用。针对具有非对称特性的两级和三级刚度扭转减振器,建立了考虑迟滞特性的扭转减振器扭矩传递特性的非连续、不可微分的数学模型,之后利用双曲正切拟合函数重新推导了建立的扭转减振器扭矩传递特性模型,并将结果推广至多级刚度扭转减振器。利用扭转减振器台架试验,验证了利用双曲正切函数拟合的可推广的多级刚度扭转减振器扭矩传递特性模型的有效性。     

磁流变阻尼器参数辨识方法研究

应用修正的Dahl模型,通过能量积分分批识别出不同电流下的参数,确定参数与电流的关系。提出的参数辨识方法,将含有滞迟环节的非线性参数识别转化为线性识别问题,达到了较高的识别精度。     

基于修正Backlash滞环的磁流变减振器建模

针对磁流变减振器在半主动控制应用中的非线性建模问题,借鉴电磁学中描述磁滞现象的方法,引入动态Backlash like模型描述阻尼力-速度特性中的滞回现象,兼顾磁流变减振器在不同电流及不同频率时的动特性,利用Sigmoid函数修正Backlash滞环,并考虑磁流变液屈服后黏性及充气压力作用,并联一个弹簧-阻尼系统,从而提出一种修正Backlash滞环的参数化模型.在试验台架上对自制的磁流变减振器进行不同电流和频率下的动特性试验,用试验数据对模型参数进行辨识,并验证了该模型的预测性能,预测误差小于10%～15%.该模型结构简单,能较精确地描述和预测磁流变减振器动特性,具有良好的实用价值.     

形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形研究

建立了可作为软体机器人中的形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形模型,获得了模型的待定参数A1、A2、A3、B1、B2、B3,并对该模型进行了实验验证。首先基于Clausius-Clapeyron方程和泰勒展开式,使用待定参数法建立了SMA弹簧的变形模型,描述了SMA弹簧的变形量、负载和温度之间的非线性关系;然后根据热平衡方程建立了电加热情况下的SMA弹簧温度变化模型,并获得了加热时间与弹簧温度的关系曲线;继而进行了零负载状态下的变形实验,根据实验结果计算出变形模型中的待定参数;最后通过定长通电驱动和定载荷通电驱动实验,验证了模型的正确性。所建模型能够为软体机器人中的SMA弹簧驱动器的控制方案建立提供参考。     

基于RFID的SMA增强复合材料层合板无线监测方法及实验

将无线射频识别技术(RFID)引入结构健康监测领域, 提出了利用传感标签和读写器实现结构健康无线监测的新方法。以埋入环氧树脂复合材料结构中具有一定规格和布局的NiTi形状记忆合金(SMA)超弹丝作为电容器的电极, 分布的RFID传感标签实时获取形状记忆合金丝间的微小电容信号, 并将其与时间、 位置编码信息打包后无线传输给读写器和监控站点。对两种SMA增强复合材料层合板, 分别在万能材料试验机和冲击试验机上进行了拉伸、 弯曲和冲击实验, 结果表明, 系统能实现对埋入结构中NiTi超弹性传感元件的高精度监测, 并具有功能扩展方便、 路由选择与定位简单的特点。     

记忆合金驱动的感温自动闭门器的研制

 为实现消防门在缺电状态下自动感应火场温度并关闭,达到隔烟阻燃的目的,研制了记忆合金驱动的感温自动闭门器,具有全机械传感和驱动的特点,无电耗,寿命长,灵活可靠.基于偏动式记忆合金驱动器原理,针对普通闭门器的连杆机构,通过几何解析和力学分析,提出了一种新型的自动锁闭、解锁装置.根据感应温度范围的要求和锁紧、解锁载荷的计算,选用窄滞环记忆合金并确定了偏动弹簧和记忆合金弹簧的设计参数.通过试验验证,所研制的闭门器达到了灵敏度高、可靠性好的要求.     

SMA增强复合材料力学特性的细观力学模型

基于细观力学的理论 , 将 SMA增强复合材料视为三相等效系统进行分析 , 即基体相、 奥氏体相和马氏体相 ; 求解了 SMA增强复合材料的有效热膨胀系数和有效相变应变系数的一般表达式 , 该表达式适用于各种形状的纤维增强复合材料。在整个相变和逆相变过程中 , 奥氏体相和马氏体相都表现为弹性特性 , 避免了传统方法的强非线性问题。该模型计算过程简单 , 同时还考虑了奥氏体、 马氏体和基体间的相互作用 , 理论分析更接近实际。并分析了纤维的含量、 形状和尺寸等因素对宏观模量的影响 , 通过比较可知 , 所得结果可靠 , 为 SMA增强复合材料的设计和使用提供理论依据。      

新型SMA隔震支座动载性能试验研究

以提高SMA利用率为目的，设计了几种不同形式的SMA橡胶支座并进行了耗能试验。研究了水平位移幅值、水平加载频率以及竖向荷载等因素对SMA橡胶支座水平刚度、耗能量以及阻尼等基本力学性能的影响，结果表明，新型的SMA橡胶支座均可有效提高橡胶支座的耗能性能和回复能力，并为SMA橡胶支座优化设计提供了依据。     

基于形状记忆合金的X形板阻尼器的力学模型

根据超弹性形状记忆合金（SMA）的分段线性化本构关系,建立了X形SMA板式阻尼器的力学模型;通过MATLAB程序进行数值模拟,绘制了X形SMA板的阻尼力滞回曲线,并研究了位移幅值、温度、形状尺寸对阻尼器基本特征参数（等效割线刚度、单位循环消耗的能量、等效阻尼比）的影响。结果表明：X形SMA板式阻尼器具有“旗帜”形的滞回曲线,耗能较小,但复位能力好;随位移幅值增加,耗能力和等效阻尼比增加,等效割线刚度降低,温度的影响与此相反;阻尼器的特征参数随板高增加均呈降低趋势;增加板宽,单位循环耗能与等效割线刚度增加,而等效阻尼比不变。研究结果为X形SMA板式阻尼器的设计和工程应用提供了理论依据。     

An incremental energy minimization state update algorithm for 3D phenomenological internal‐variable SMA constitutive models based on isotropic flow potentials

An incremental energy minimization approach for the solution of the constitutive equations of 3D phenomenological models for shape memory alloys (SMA) is presented. A robust algorithm for the solution of the resulting nonsmooth constrained minimization problem is devised, without introducing any regularization in the dissipation or chemical terms. The proposed algorithm is based on a thorough detection of the singularities relevant to the incremental energy formulation, in conjunction with a Newton–Raphson method equipped with a Wolfe line search dealing with regular solutions. The saturation constraint on the transformation strain is treated by means of an active set strategy, thus avoiding any need for a two‐stage return‐mapping algorithm. A parametrization of the saturation constraint manifold is introduced, thus reducing the problem dimensionality, with improved computational performance. Finally, an efficient algorithm for the computation of the dissipation function in terms of Haigh–Westergaard invariants is presented, allowing for a quite general choice of deviatoric transformation functions. Numerical results confirm the robustness and consistency of the proposed state update algorithm. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

医用TiNi合金表面等离子体沉积梯度DLC膜及抗腐蚀性能

采用双放电腔MW-ECR等离子体源增强磁控溅射和沉积技术,在TiNi合金表面成功地镀制了梯度DLC膜.拉曼光谱分析表明实验获得的薄膜是典型的DLC膜,其结构受梯度层工艺影响.采用原子力显微镜(AFM)观察了薄膜的表面形貌,结果显示其表面较为平整.在Troyde's模拟体液中的电化学腐蚀实验结果说明,梯度DLC膜显著地增强了TiNi合金基体的抗腐蚀能力.从示差扫描量热仪(DSC)结果看到表面改性没有明显影响TiNi合金基体的使用性能.     

用形状记忆合金控制转子振动的非线性动力学研究

考虑了形状记忆合金控制器作用力的软非线性,给出了具有形状记忆合金控制器和弹性支承转子系统的动力学方程。运用非线性动力学理论求出了系统在主共振时的二阶非线性近似解,运用运动稳定性理论求出了系统振幅跳跃区间表达式,通过对系统的解和跳跃区间的表达式的分析和讨论,得出了系统诸参数对系统动力学特性的影响,并通过仿真验证了理论结果;提出了用形状记忆合金控制器结合挤压油膜阻尼器降低系统在非定常状态下最大振幅的构想,并探讨了加装挤压油膜阻尼器后系统动力学特性的变化。