超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为的理论研究

超磁致伸缩材料由于具有位移大、响应快、驱动简单等性能优势,在智能系统中具有广阔的应用前景。对于其力学行为的研究,在理论上涉及的关键科学问题是多场耦合问题的理论建模与定量模拟,而其应用需求则涉及对超磁致伸缩器件性能的定量预测及优化。目前超磁致伸缩材料在工业上最广泛的应用是作为换能器的核心制动元件,其磁学、力学行为与工况密切相关。应力、外磁场、环境温度都会改变材料的磁化强度和应变状态,在交变磁场作用下磁致伸缩棒截面上产生涡电流,该损耗使材料的磁化和应变曲线出现洄滞。针对这些问题已有很多学者[1]-[4]进行了研究,这些工作揭示了外部条件对超磁致伸缩材料磁学、力学性质的单向联合作用,如图1中虚线所示。然而对于超磁致伸缩材料力学行为的准确刻画还需要考虑更深层次的多物理场耦合关系（图1中实线所示）：由于超磁致伸缩材料被外场磁化而产生磁致应变的同时,被磁化的介质也可以充当一种源而改变其周围的磁场,改变的程度依赖于介质的变形,因此需要考虑介质对周围磁场的反作用;棒截面上的涡电流除了会带来磁滞损耗外还会产生大量的热,改变周围温度,进而因为热膨胀、热磁效应等改变超磁致伸缩棒的磁学、力学输出,所以涡电流的热效应也不可忽略;此外,超磁致伸缩棒在交变磁场下的振动响应使其应力状态发生改变,在建模时不能只考虑所施加的预应力,材料的实时应力状态必须加以考虑。图1中虚线和实线所指向的过程共同构筑了超磁致伸缩材料的多物理场耦合框架,综合考虑这些因素才能准确描述超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为。本文围绕上述内容逐步深入,针对这一在理论和应用上具有重要意义的问题,开展了理论建模和数值模拟研究。     

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.     

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。     

智能机器鱼游动机理与一种设计理念

通过分析自然界鱼类游动特点和有趣的规律等,提出一种智能机器鱼设计思想.以超磁致伸缩智能材料为例,研究和讨论了无线控制仿生鱼游动机理和方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,以及外部磁场模拟鱼神经,从而建立了该问题的一种力学控制模型和系统.通过研究外磁场频率与机器鱼尾摆动产生驱动力的关系,发现存在最佳的外磁场频率.这样利用调整外磁场频率,实现控制鱼尾摆动,即机器鱼最好的游动状态.同时分析鱼尾形状,材料参数,流场和外环境因素等对机器鱼游动的影响.研究结果和方法为机器鱼的设计和控制提供了依据和的设计理念.     

薄膜-基体型磁致伸缩微致动器的数值模拟

磁致伸缩薄膜是一种性能优异的微驱动元件。本文针对磁致伸缩薄膜一基体结构中薄膜磁致伸缩系数与层合结构变形之间关系的问题，从经典层合板理论的角度导出了其基本方程，并在此基础上对基体远厚于薄膜的情形采用非层合板理论进行了简化。通过比较非层合板理论和层合板理论下的薄膜一基体结构变形的有限元结果，讨论了有关几何参数和物理参数的影响，给出了用非层合板理论近似处理薄膜一基体型磁致伸缩微致动器的适用条件。     

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.      

带铁磁薄膜悬臂板的磁场微感应器磁弹性特征研究

对于在可变形非磁材料悬臂梁式板单表面粘贴可磁化材料薄膜所构成的磁场微传感器件结构,研究了其处在磁场环境中的磁弹性弯曲变形的磁场-力学特征。为此,建立了由有限元方法分析磁场与有限差分法计算挠曲变形相结合来计算其结构在磁场中产生磁弹性变形的定量分析程序。在此基础上,对于这一微传感结构的算例给出了其结构变形随外加磁场环境变化的磁场-挠度特征关系等定量结果。结果表明：微传感器件不仅可以测量出磁场的大小,而且给出了测量磁场矢量方向的可能性。     

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.     

悬臂铁磁板磁弹性耦合作用的力学分析

对有限板宽的悬臂铁磁板在外磁场中的磁弹性相互耦合作用的力学行为，建立了描述板弯曲和稳定性的理论模型及有限元定量分析程序，研究了外磁场倾斜角对板磁弹性失稳的临界磁场值的影响。     

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.     

VIBRATION SUPPRESSION OF CANTILEVER LAMINATED COMPOSITE PLATE WITH NONLINEAR GIANT MAGNETOSTRICTIVE MATERIAL LAYERS

In this paper, a nonlinear and coupled constitutive model for giant magnetostrictive materials(GMM) is employed to predict the active vibration suppression process of cantilever laminated composite plate with GMM layers. The nonlinear and coupled constitutive model has great advantages in demonstrating the inherent and complicated nonlinearities of GMM in response to applied magnetic field under variable bias conditions(pre-stress and bias magnetic field).The Hamilton principle is used to derive the nonlinear and coupled governing differential equation for a cantilever laminated composite plate with GMM layers. The derived equation is handled by the finite element method(FEM) in space domain, and solved with Newmark method and an iteration process in time domain. The numerical simulation results indicate that the proposed active control system by embedding GMM layers in cantilever laminated composite plate can efficiently suppress vibrations under variable bias conditions. The effects of embedded placement of GMM layers and control gain on vibration suppression are discussed respectively in detail.     

用模态试验结果修改力学模型初探

利用试验模态分析结果,对有限元力学模型本身或其中某些参数进行修改是必要的和有工程意义的。这一“修改”既是数学上的优化问题又是工程设计问题。本文介绍自研制的“结构动力修改程序”,述及一般原理及框图,并给出一个悬臂梁实例。     

纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力

为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力．建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层1 μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371 MPa．该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性．     

风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法

本文提出了一种风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法．将机舱和叶片整体、连接法兰盘分别简化为集中质量,塔筒简化为非均匀悬臂梁,建立风机塔筒结构横向振动方程．给出了用假设模态法计算塔筒结构固有频率和模态函数的过程．通过与文献及有限元数值结果比较验证了方法的有效性．本文方法仅需给出结构的基本参数,如截面半径变化规律、法兰盘位置和质量、机舱及叶片质量,便可快速求解其频率和模态,无需建立其复杂的力学模型．     

半潜式钻井平台管道钢构支架极限强度研究

钢构支架是半潜式钻井平台管道支吊架的主要类型之一,钢构支架的极限强度是管道系统正常工作的重要保障。研究结构极限强度的方法有理论分析、有限元数值仿真和实验分析。在分析极限理论的基础上由静力法计算四种钢构支架试件的极限载荷;利用MSC软件对试件极限载荷进行数值仿真分析,并对有限元模型化技术进行讨论;对试件进行实验极限载荷测试,对比分析了三种方法测得的极限载荷。结果表明,三种分析方法计算得到结构的极限载荷基本一致,对于结构形式较为简单的结构通过理论分析可以得到简化解析解析解;数值仿真分析中采用合理的有限元模型化技术(结构有限元模型、边界、约束等)可得到精度较高的计算结果。     

一个改进的平面梁单元

根据有限单元法基本原理 ,提出了一个变截面平面梁单元 ,推导了其单元钢度矩阵。这一改进的梁单元用于分析梁高呈线性变化及二次抛物线变化的矩形截面梁 ,将得到准确解。文中给出了一个变截面悬臂梁算例 ,计算表明 ,这一改进的梁单元使变截面梁的分析大大简化     

激光加工多孔气体端面密封的静压性能研究

采用有限元方法求解二维气体雷诺方程,研究激光加工多孔端面气体润滑密封的静压性能.主要分析了密封端面的微孔面积比Sp、开孔比γ、无量纲孔深ε和密封压力Po对开启力增幅△Pav、泄漏量Q、开漏比E、刚漏比Ek等密封性能参数的影响规律,结果表明,当Sp=0.65,γ=0.6,ε=3.0时可确保密封在静压条件下具有优异的性价比.研究结果为密封的优化设计提供了依据.     

随机参数结构的统计特征对

结合非正交多项式展式和传统的摄动技巧研究了随机参数结构的统计特征对问题,建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程,并用有限元方法进行了求解,得到了包括特征值和特征向量的特征对的统计值．最后,用算例验证了此方法的正确性．     

Realization of a new experimental setup for magnetostrictive actuators

A new setup for the prospective investigation of the active damping properties of magnetostrictive (MST) actuators has been realized. A dynamical finite element analysis has been carried out to meet the design requirements concerning the eigenvalues spectra and the mode shapes of the setup: experimental and numerical results match satisfactorily. The setup has given a clear evidence of the damping capabilities of a MST actuator developed by our group and utilized as a compensator of external harmonic excitations.