超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为的理论研究

0 引言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.     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼,模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态,设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼.针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题,采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动,并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构.依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值,借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小,并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率.应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程,并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真,获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况.结果表明,在相同的频率与尾鳍摆幅下,两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s(BL为鱼体体长),高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s,且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律,并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街,推进效率高.     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

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.     

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.      

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.     

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。     

超磁致伸缩换能器耦合磁弹性模型与振动特性分析

针对应用于非圆车削加工的超磁致伸缩换能器,建立了其耦合磁弹性动力学模型与复系数动力学微分方程,基于实验建立的激励电流磁致伸缩材料轴向位移-磁场强度三者之间的关系式,得到了换能器磁力-位移关系的磁动方程的解析解,分析了系统的频响特性及不同频率下,激励电流与换能器输出位移之间的滞回关系,对现有磁场-电流公式进行了修正,讨论了偏置磁场对系统的影响,并与数值解进行了对比.结果表明:超磁致伸缩换能器的输出位移与输入激励电流之间的滞回环及其环方位与激励频率有关,且修正公式与实验所得结论完全一致.换能器的频响关系具有明显的共振和反共振特性,且频响曲线的正负向决定了滞回环的方位,换能器输出位移的绝对值决定了滞回环包围面积的大小换能器滞回环的面积、倾斜度随偏置磁场的增大而增大.本文的结果为换能器的控制与优化提供了理论基础.     

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。     

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.