超磁致伸缩换能器的磁滞非线性动力学仿真

在超磁致伸缩材料输出端位移假设的基础上,建立了以输出顶杆为研究对 象、考虑材料内部磁滞非线性及预压弹簧特性的超磁致伸缩换能器非线性动力学模 型; 并将Simulink仿真系统应用到超磁致伸缩换能器系统动力学仿真中. 仿真结果表 明: 换能器模型系统为稳定周期运动系统,并具有滞回非线性特性;弹簧非线性项中的平方 项是影响换能器模型系统的主要因素. 经验证,数值计算结果与文献给出的试验测试结果吻 合较好.     

磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性

基于磁致伸缩材料的本构关系模型,结合磁致伸缩作动器结构动力学模型建立了可描述磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性的运动方程.方程中考虑了作动器工作时磁致伸缩材料的弹性模量随着应力和磁场的改变而发生的变化,磁致伸缩材料的这种特性使得作动器系统表现出具有时变刚度的参数振动特性.通过对此参数振动方程进行数值求解,得到磁致伸缩作动器的参数频响特性,并研究了激励电流幅值以及作动器负载质量对作动器频响特性的影响.     

超磁致伸缩换能器系统动力学特性分析

根据第一压磁理论建立超磁致伸缩换能器系统含有平方、立方项非线性动力学模型,利用非线性振动近似解析方法对换能器系统进行分析,揭示了换能器系统非线性特性。利用基于MAT-LAB/Simulink的系统仿真理论,建立换能器系统动态仿真模型,发现换能器系统在一定参数下存在着混沌现象。通过数值模拟的方法对换能器系统做深入的理论分析,得出系统在不同参数下存在着倍周期、倒倍周期分岔等复杂非线性现象。本文的分析结果表明,超磁致伸缩材料的弹性模量、压磁系数、相对磁导率和系统阻尼系数等参数是超磁致伸缩换能器系统动力学特性的主要影响因素。     

超磁致伸缩车削加工刀架特性实验分析

利用光栅测微传感器(DG-10)和自行开发研制的优化后的超磁致伸缩车削加工刀架,对不同预压力、电流强度下刀架性能进行实验研究。实验中分别由压力传感器和改进后的控制电路调整所加预压力、电流的大小,通过数据采集系统记录光栅测微传感器所测得的磁致伸缩量。实验结果表明:在不同预压力下,刀架输出位移随着激励电流的增大而增大,直到达到饱和;同时在最大工作电流作用下,刀架的输出位移随着预压力的增大而增大,但当预压力增大到一定数值后,刀架的输出位移随着预压力的增大而减小。利用最小二乘曲线拟合、线性回归等数学方法得出了刀架在最大工作电流下,预压力与磁致伸缩量之间的拟合曲线及函数多项式,并确立了最佳工作预压力。建立了最佳工作预压力下电流与磁致伸缩量之间的函数关系式。通过误差分析看出理论分析和实验结果吻合的很好。     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

偏置磁场对磁致伸缩纵向导波换能器效能的影响研究

为提高磁致伸缩导波换能器的激励效能,本文研究了磁场结构参数对偏置磁场空间分布的影响。基于COMSOL有限元仿真平台,对磁致伸缩换能器磁场分布特性进行了数值计算,研究了磁路结构形式、磁路和永磁铁数量等对偏置磁场分布的影响,最后优化出适合纵向导波激励的磁场结构参数。检测实验结果表明,随着偏置磁场磁路数量的增加,偏置磁场强度增大,磁场径向均匀性更好,磁致伸缩换能器的效能也相应提高;在相同磁路数量的条件下,永磁体数量的改变对换能器效能影响较小,四磁路偏置磁场最优;轭铁中部增加永磁铁后的磁路结构的偏置磁场的轴向均匀性更高,其激励效能更好。     

磁致伸缩薄膜力学行为的有限元仿真研究

建立了一种磁致伸缩薄膜力学行为的有限元计算方法.该方法将磁致伸缩薄膜在磁场中的形变行为等效为薄膜在热场中的各向异性热膨胀形变行为,基于该等效模型,利用有限元软件计算了磁致伸缩薄膜悬臂梁的力学行为与外加磁场的关系.结果表明,该方法可有效模拟磁致伸缩薄膜在外磁场下的力学行为.     

超磁致伸缩材料执行器非线性动力学行为分析

考虑了超磁致伸缩棒的对称有间隙滞回特性,建立了相应的超磁致伸缩材料执行器的动力学模型。通过渐进法分析,得到超磁致伸缩材料执行器运动相应的近似解析式。通过数值模拟,发现对称有间隙滞回非线性振动系统具有复杂的分叉和混沌行为。     

考虑膜厚影响薄膜磁致伸缩系数、泊松比和杨氏模量的同时测量

基于经典层合板理论,建立了一个能同时测量薄膜-基底系统中薄膜的磁致伸缩系数、杨氏模量和泊松比的板模型.以前的研究计算薄膜磁致伸缩系数时,大多假设薄膜的弹性属性与相应的块材一致,由此导致的磁致伸缩系数计算是不准确的.在目前大多数方法中仅仅在使用一个单一的弹性各向同性基底中能够避免这个问题.该文模型在各向异性基底下同样适用,并且不要求薄膜的厚度远远小于基底厚度,因此也能够用来计算磁致伸缩应变和设计微电机械系统和生物微电机械系统.对已有的铁基非晶薄膜的实验数据,在不同磁场强度下,磁致伸缩系数的计算结果与已有模型进行了比较,它们之间的差异得到了解释.同时,还可以得到薄膜的弹性常数.     

基于唯象相变理论的磁致伸缩材料耦合滞回动力学模拟

本文基于改进的Landau唯象相变理论,构造一个耦合的非线性常微分方程模型来模拟一维磁致伸缩材料的磁滞动态特性。模型的构造通过引入一个非凸的自由能函数来模拟磁致伸缩磁材料中不可逆的磁极化翻转与磁致应变,该自由能函数的每一个局部极小值都对应材料的一个磁化方向。通过热力学平衡条件建立能刻画磁致伸缩效应的非线性本构关系。所构造的模型成功地模拟出了磁场与弹性场之间的磁滞曲线和蝶形曲线,并采用实验结果对模型进行了验证。     

Surface effect on band structure of magneto-elastic phononic crystal nanoplates subject to magnetic and stress loadings

This paper presents a theoretical model for the size-dependent band structure of magneto-elastic phononic crystal(PC) nanoplates according to the Kirchhoff plate theory and Gurtin-Murdoch theory, in which the surface effect and magneto-elastic coupling are considered. By introducing the nonlinear coupling constitutive relation of magnetostrictive materials, Terfenol-D/epoxy PC nanoplates are carried out as an example to investigate the dependence of the band structure on the surface effect, magn...     

轴向运动导电薄板磁弹性耦合动力学理论模型

针对磁场环境中轴向运动导电薄板的动力学理论建模问题进行研究,得到较为完备的磁弹性耦合振动基本方程及相应的补充关系式。在考虑几何非线性效应下,给出薄板运动的动能、应变能以及外力虚功的表达式。应用哈密顿变分原理,推得磁场中轴向运动薄板的非线性磁弹性耦合振动方程,并得到力和位移满足的边界条件。基于麦克斯威尔电磁场方程,并考虑相应的电磁本构关系和电磁边界条件,推得任意磁场环境中轴向运动导电薄板满足的电动力学方程和所受电磁力表达式。分别针对纵向磁场环境、横向磁场环境、条形板等具体情形,给出了振动方程、电动力学方程和电磁力的简化形式。所得结果,可为此类问题的进一步求解和分析提供理论参考。     

Magneto-elastic combination resonances analysis of current-conducting thin plate

Based on the Maxwell equations, the nonlinear magneto-elastic vibration equations of a thin plate and the electrodynamic equations and expressions of electro- magnetic forces are derived. In addition, the magneto-elastic combination resonances and stabilities of the thin beam-plate subjected to mechanical loadings in a constant transverse magnetic filed are studied. Using the Galerkin method, the corresponding nonlinear vibration differential equations are derived. The amplitude frequency response equation of the system in steady motion is obtained with the multiple scales method. The excitation condition of combination resonances is analyzed. Based on the Lyapunov stability theory, stabilities of steady solutions are analyzed, and critical conditions of stability are also obtained. By numerical calculation, curves of resonance-amplitudes changes with detuning parameters, excitation amplitudes and magnetic intensity in the first and the second order modality are obtained. Time history response plots, phase charts, the Poincare mapping charts and spectrum plots of vibrations are obtained. The effect of electro-magnetic and mechanical parameters for the stabilities of solutions and the bifurcation are further analyzed. Some complex dynamic performances such as period- doubling motion and quasi-period motion are discussed.     

磁场中轴向运动导电梁弯曲自由振动分析

研究磁场环境下轴向运动导电梁的弯曲自由振动．首先给出系统的动能、势能以及电磁力表达式,进而应用哈密顿变分原理,推得磁场中轴向运动导电梁的磁弹性弯曲振动方程．在位移函数设定基础上,应用伽辽金积分法分别推出三种不同边界约束条件下,轴向运动梁的磁弹性自由振动微分方程和频率方程,得到固有频率表达式．通过算例,得到了弹性梁固有振动频率的变化规律曲线图,分析了轴向运动速度、磁感应强度和边界条件对固有振动频率和临界值的影响．     

Magneto-elastic modeling of composites containing chain-structured magnetostrictive particles

Magneto-elastic behavior is investigated for two-phase composites containing chain-structured magnetostrictive particles under both magnetic and mechanical loading. To derive the local magnetic and elastic fields, three modified Green's functions are derived and explicitly integrated for the infinite domain containing a spherical inclusion with a prescribed magnetization, body force, and eigenstrain. A representative volume element containing a chain of infinite particles is introduced to solve averaged magnetic and elastic fields in the particles and the matrix. Effective magnetostriction of composites is derived by considering the particle's magnetostriction and the magnetic interaction force. It is shown that there exists an optimal choice of the Young's modulus of the matrix and the volume fraction of the particles to achieve the maximum effective magnetostriction. A transversely isotropic effective elasticity is derived at the infinitesimal deformation. Disregarding the interaction term, this model provides the same effective elasticity as Mori-Tanaka's model. Comparisons of model results with the experimental data and other models show the efficacy of the model and suggest that the particle interactions have a considerable effect on the effective magneto-elastic properties of composites even for a low particle volume fraction.     

Experimental and theoretical study of the nonlinear response of agiant magnetostrictive rod

In this paper, a magnetomechanical coupling constitutive relation of the giant magnetostrictive material was investigated experimentally and theoretically. A grain-oriented magnetostrictive rod of iron and rare earth was tested under a combined magnetomechanical loading. Two types of experimental curves were obtained, i.e., the magnetostrictive curve of the extensional strain vs the magnetic field, and the curve of the magnetic polarization intensity vs the pre-stress. A new theoretical constitutive model, based on the density of domain switching, is developed. Comparison of the theoretical predictions with the experimental results indicates that this model can capture the main characteristics of the magnetoelastic coupling deformation of a giant magnetostrictive rod. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10025209, 10132010, 10102007)     

斜磁场作用下铁磁梁式板的磁场摄动分析

基于磁场摄动技术和广义变分原理得到的磁力公式,对铁磁梁式板在斜磁场作用下的磁场和磁力摄动展开研究.给出了考虑磁场端部效应情形时铁磁梁式板的摄动磁场及其磁力摄动表达式,使得解析分析斜磁场作用下铁磁梁式板磁弹性耦合问题成为可能.研究表明:只有考虑了磁场端部效应的斜磁场磁力摄动公式才能模拟铁磁结构的弯曲模式且能够定性揭示铁磁简支梁式板弯曲构形为双半波形.     

旋转运动导电圆板的磁弹性参数振动分析

针对磁场中旋转运动圆板,在动能、应变能表达式基础上,根据哈密顿原理导出圆板的磁弹性振动方程．应用伽辽金积分法,得到横向磁场中旋转变速运动圆板的轴对称参数振动微分方程．通过坐标变换得到包含两个变系数项的马蒂厄振动方程．应用弗洛凯理论和平均法对系统的参数振动问题进行求解．通过数值计算得到周期稳定图、对应的振动响应特性图和相轨迹图．结果表明：在稳定区域内,系统的幅频曲线呈现为周期或概周期变化形式;在不稳定区内,系统的幅频响应曲线呈现为发散变化形式．     

载流圆锥薄壳的磁弹性应力与变形分析

在建立旋转壳体的非线性磁弹性运动方程的基础上,研究了电磁场和机械载荷联合作用下载流圆锥薄壳的磁弹性效应．通过算例,得到了载流圆锥薄壳的位移及应力与通电电流强度之间的关系．解决了圆锥薄壳顶点处的奇异性问题,给出了轴对称条件下的数值解．计算结果表明：改变通电电流强度,可以改变载流圆锥薄壳的应力与变形状态,达到控制圆锥薄壳的受力与变形的目的．