范德华力对硅基微悬臂梁抗粘附稳定性的影响

通过在硅微悬臂梁与基底表面上涂覆低表面能的憎水性OTS(CH3(CH2)17SiCl3)膜,以除去接触面间的表面张力;把梁与基底均接地,以除去接触面间的静电力,研究仅有范德华力作用时,硅微悬臂梁结构的抗粘附稳定性.根据两接触面均为粗糙表面的微观实际接触模型,在接触表面产生塑性变形的情况下,计算范德华粘附能大小,并分析表面形貌对其影响,得到粗糙表面接触的微梁抗粘附临界长度.     

基底与微悬臂梁间接触-分离的动态分析

将基底与微悬臂梁间的接触简化为一理想平面基底与微悬臂梁粗糙面间的接触,在考虑微悬臂梁的弹性恢复、两接触体的弹塑性变形以及粗糙面微凸体间相互粘着作用的基础上,运用ABAQUS大型有限元软件实现了微悬臂梁与基底的接触-分离动态分析。结果表明,该撞击过程实际上是一个复杂的多次弹塑性撞击过程,一般存在2个以上的明显撞击区,每个撞击区包含了形式多样的复杂的次生撞击过程,并且每次撞击力较静态接触力大很多,因此造成的影响很大。其对今后的材料摩擦磨损具有一定的理论指导意义。     

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性变形分析及试验

将双层超磁致伸缩薄膜(Giant magnetostrictive thin film,GMF)悬臂梁的磁致伸缩作用等效为分布弯矩作用,以简化磁机耦合模型。在几何非线性弹性变形理论基础上,根据哈密顿原理推导出超磁致伸缩薄膜非线性变形的控制方程,并给出超磁致伸缩薄膜悬臂梁静态几何非线性变形模型、非线性主共振和超谐波共振响应模型。采用悬臂梁式超磁致伸缩双层膜(铽镝铁—聚酰亚胺—钐铁)进行变形特性的试验研究,发现超磁致伸缩双层膜表现出明显的几何非线性变形特征,悬臂梁端部位移量约为厚度的2/3;同时检测到悬臂梁的超谐波共振现象,前三阶超谐波共振的驱动效率与一阶主共振的驱动效率具有可比性。将所提出的静态非线性变形模型和振动响应模型分别与试验结果对比发现,两个模型可较好地说明双层超磁致伸缩薄膜的非线性变形特性,为有效地利用超磁致伸缩薄膜设计开发微驱动器和微传感器提供依据。     

超磁致伸缩泵悬臂梁阀流固耦合特性分析

提出了一种采用悬臂梁式吸排油阀的超磁致伸缩液压泵结构,针对泵用悬臂梁阀工作时的流固耦合特性,基于单自由度振动理论与流固耦合作用下阀片振动参数等效计算原则,对超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀进行了线性化数学建模,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真研究。为研究其非线性特性,基于流固耦合力学原理,建立了超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀流固耦合数值模型,并利用Comsol-CFD对其工作特性进行了数值求解。然后依据求解结果进行了深入分析,得到了阀片主要参数对泵性能的影响规律,为超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀的主要结构参数的设计与优化提供相关依据。最后,通过不同厚度悬臂梁阀片在流固耦合作用下开启位移的线性理论结果与非线性数值结果的对比完成了模型验证,实验测试了超磁致伸缩泵的流量特性与阻断压力特性,得到了该泵峰值驱动频率为300Hz左右。     

超磁致伸缩微位移执行器的矢量阻抗分析模型

超磁致伸缩微位移执行器应用于精密、超精密加工场合时,执行器系统易受外负载影响,且在动态工作状态下会产生磁滞和涡流等效应,引起工作性能发生改变。应用线性压磁方程,机电换能方程和阻抗分析理论建立超磁致伸缩执行器的矢量阻抗分析模型。模型中将执行器系统的矢量阻抗分为机械导纳和电气阻抗两部分讨论,在机械导纳中引入负载影响,将压磁系数定义为复常数,模拟磁滞效应;在电气阻抗中,通过在求解的超磁致伸缩材料内部磁场引入涡流影响项来模拟系统的非线性特性;两部分之和得出超磁致伸缩微位移执行器系统的矢量阻抗。试验结果显示模型计算的系统矢量阻抗值与测量值间幅值误差约7%,相位误差约7.7%,表明所建立的模型能够近似描述系统在精密加工场合时的阻抗特性,可为超磁致伸缩微位移执行器的设计、控制和性能优化提供指导。     

磁致伸缩式柔性微夹钳的设计及实验

基于磁致伸缩材料的磁致伸缩效应,设计了一种以Galfenol材料为驱动元件,将Galfenol薄片直接粘贴于铍青铜夹片表面构建的复合悬臂梁式柔性微夹钳,装置结构简单,在增大夹持范围的同时可实现对目标物的柔性夹持。通过搭建实验测试平台,采用不同大小的电流信号对微夹钳进行驱动,测试结果表明,当驱动电流为1.6 A时,夹片夹口完全闭合,通过激光位移传感器测得两夹片的最大偏转位移分别为106.4μm和124.8μm,整体夹持范围可达231.2μm,为磁致伸缩微夹持器的设计和应用提供参考。     

超磁致伸缩材料力传感执行器关键技术研究

正超磁致伸缩材料以其大磁致伸缩系数、高机电耦合系数、快速响应能力、易于驱动等特点而备受关注。该材料具有强磁致伸缩正效应和磁致伸缩逆效应,在工作过程中表现出双向能量转换特性。利用磁致伸缩正效应可制作驱动装置,利用磁致伸缩逆效应可制作传感器。当超磁致伸缩材料工作在机械约束条件下,磁致伸缩正效应和逆效应会发生耦合。如果研究磁致伸缩正逆效应耦合特性,可利用正逆耦合效应开发兼具执行和传感功能的磁致伸缩器件。开发单体微位移驱动设备使之兼具执行和传感等多种用途,是微位移驱动领域理论研究与工程应用的趋势所在;并且,在精密、超精密加工领域,例如精密机械抛光加工中的压力控制,需要一种具有恒定输出力或输出力可控的驱动机构。因此,利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩正逆     

磁致伸缩薄膜动态驱动特性的研究

提出一种新的磁致伸缩薄膜动态驱动特性的研究方法,其原理是以磁致伸缩薄膜复合梁的等效形变为基础,将磁致伸缩驱动应力转换为等效驱动力矩,建立磁致伸缩薄膜的强迫振动动态模型,通过受迫振动理论来研究磁致伸缩薄膜的动态特性。对该模型进行了仿真计算和试验验证,表明该模型可以描述磁致伸缩薄膜的动态行为。该方法对薄膜驱动器的运动分析与结构优化。最终实现基于磁场自感知的超磁致伸缩薄膜驱动器的闭环控制具有参考意义。     

基于超磁致伸缩材料微进给刀架磁热特性与仿真

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,简写GMM)具有良好的微伸缩特性,开发基于GMM的微进给刀架,可以应用于微细加工领域。由于温度影响GMM棒的磁致伸缩特性,在研究GMM驱动的微进给刀架时,首先需要进行微进给刀架在微驱动过程中的磁热特性分析,分析热对其微进给特性的影响,并利用有限元技术对微进给刀架的磁热特性进行仿真,得到GMM棒温度沿轴向分布与作用电流之间的关系,为微进给刀架的实际应用提供理论基础。     

超磁致伸缩微位移驱动系统的研究

超磁致伸缩材料是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有在室温下应变量大,能量密度高,机电耦合系数大等特性。文章分析了超磁致伸缩材料的驱动原理,介绍了超磁致伸缩微位移驱动系统的组成及工作原理。并对该系统的伸长量,微位移精度等性能指标进行了实验研究。