基于分数阶阻尼的超磁致伸缩致动器非线性动力学研究

为进一步揭示超磁致伸缩致动器(Giant magnetostrictive actuator, GMA)系统非线性运动过程中的内在机理和动力学特征,基于分数阶微积分理论,将GMA动力学系统模型拓展至分数阶,建立含有分数阶阻尼的非线性GMA系统动力学方程,基于平均法分析系统主共振,得到系统的幅频响应方程;使用幂级数方法求解系统的数值解,通过Matlab数值模拟分析不同激励幅值和阻尼阶次对GMA系统的影响机理,从定性和定量的角度研究系统的分岔和混沌运动现象。结果表明：激励幅值和阻尼阶次对系统的幅频特性有显著影响;阻尼阶次对系统的分岔和混沌行为影响较大;不同阻尼阶次下由激励幅值变化引起系统的动力学行为相似但混沌区域不同。该研究有助于更好地了解GMA系统动力学特性,对工程实践中控制GMA系统稳定运行提供新的视角。     

超磁致伸缩换能器能量回收非线性拓频研究

为拓宽能量回收的有效频带范围,提高能量回收率,分析超磁致伸缩换能器工作原理,基于牛顿第二定律建立系统动力学方程,用多尺度法得到系统的幅频响应方程.结果表明:仿真发现系统的输出呈硬式非线性特性;在此基础上建立能量回收理论模型,分析负载电阻感应电压大于0.2 V的有效频带宽度得出,与线性系统相比,非线性系统能使系统的有效带宽拓宽约54％,感应电压峰值增大约26％;为进一步调整系统的有效频带范围,为非线性系统引入加速度时滞反馈控制,仿真通过调整控制增益和时滞可调整系统有效频带范围.     

超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器（GMA）的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。     

基于因素趋势法的GMA磁场研究和仿真分析

为增强超磁致伸缩驱动器(GMA)输出特性，提高超磁致伸缩材料(GMM)棒在磁场下的磁致伸缩性能，根据安培环路定律、基尔霍夫定律、磁通的连续性定律建立GMA磁路模型，推导出GMM棒中心线磁场强度和均匀率与GMA内各结构参数的关系式。在Ansys Maxwell中建立简化的二维平面模型，依据L₂₅(5⁵)正交试验仿真分析，做极差分析、绘制因素趋势图、回归分析和规划求解，得出GMA内各结构参数对最大磁场强度和均匀率的影响。结果表明：GMM棒几何参数、GMA组件材料属性、线圈匝数和电流参数在工程设计约束下，影响GMM棒最大磁场强度和均匀率的主要因素为导磁片半径、导磁片厚度和驱动线圈长度。在多因素多目标决策，采用目标规划法，得到GMA最大磁场强度为40.22 kA/m，均匀率为95.17%。