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...     

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。     

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。     

超磁致伸缩材料的擦除特性和同余特性实验研究

超磁致伸缩材料在力磁耦合作用下具有复杂的迟滞响应。Preisach模型可有效描述物理过程中的滞后现象,它具有两个重要特性,即擦除特性和同余特性。擦除特性是指输入局部极大值擦除了加载过程中小于该值的所有极大值,或输入局部极小值擦除了加载过程中大于该值的所有极小值,同时,与这些历史极值相应的加载历史也被擦除,不再影响之后的输出。同余特性是指输入极大值与极小值相同的所有闭合曲线一致。本文通过实验系统地研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的磁致伸缩曲线、磁滞回线和应力应变的迟滞行为,发现其在力磁耦合下的非线性滞后行为具有擦除特性和同余特性。这满足了Preisach模型描述滞后现象的两个基本要求,验证了利用Preisach模型描述超磁致伸缩材料迟滞行为的可行性,为超磁致伸缩材料的非线性理论和器件设计提供了依据。     

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.     

稀土超磁致伸缩材料应力与电磁耦合特性的实验研究

讨论了稀土超磁致伸缩棒特性实验的若干应力与电磁耦合问题，利用自己设计制作的实验装置建立了应力电磁耦合系统的物理模型，应用阻抗分析方法得到了相应的等效电路。测定了在电磁场与应力场共同作用下ＴｂｘＤｙ１－ｘＦｅ２－ｚ三元稀土合金超磁致伸缩棒的磁致伸缩系数，机电耦合系数等。针对磁通泄漏问题，专门设计制作了圆柱型硅钢密闭磁路，本的实验结果为稀土眼磁致伸缩材料应用器提供了重要而准确的数据。     

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.     

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.     

第五讲 磁声发射

1 引言磁声发射(Magnetomechanical Acoustic Emission)是铁磁性材料在交变磁场作用下,由于磁畴的磁致伸缩效应,在变化了的体积内,产生应变,因而产生一种应力应变的弹性波。这种弹性波实际上就是能量的释放,经过声发射仪的传感器,把机械能变成电能,成为发射的信号。由于这种信号是由磁场激发的,因此叫做磁声发射,简称 MAE。     

介电弹性作动器主动隔振模糊控制试验研究

采用模糊控制策略,开展介电弹性作动器的主动隔振性能试验研究。基于介电弹性材料的Maxwell应力模型建立了作动器的力电耦合模型,分析了作动器的非线性特性;针对隔振系统设计了Mamdani型模糊控制器,建立了控制电压信号与振动响应之间的关系;在此基础上,开展了介电弹性作动器主动隔振试验研究,并与加速度反馈控制进行了对比。试验结果表明,在相同驱动电压的情况下,基于模糊控制策略的主动隔振性能要优于加速度反馈控制,且能够显著降低由于非线性驱动力导致的倍频响应幅值,有助于提高隔振系统的稳定性。     

磁致伸缩材料的非线性本构关系

给出了磁致伸缩材料的两个非线性本构关系,即标准平方型和双曲正切型。在确定一维问题的本构系数时,基于已有的实验结果,引进一个材料函数,用来描述磁致伸缩材料的压磁系数随预应力变化的关系。将非 线性本构关系的理论模型计算结果与实验曲线对比,结果表明标准平方型本构关系在中低磁场下能精确地模拟实验曲线,而双曲正切型本构关系在高磁场时能反映材料的磁致应变饱和现象。讨论了在标准平方型本构的一般三维情形,给出了确定本构系数的方法。     

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟

磁驱动单侧飞片实验的数值模拟通常可不考虑厚的阴极的运动状态和厚度方向上烧蚀宽度的影响,采用单侧计算模型进行模拟。为了理解磁驱动单侧飞片实验可采用单侧计算模型的原因,为磁驱动单侧飞片实验的单侧计算建模提供理论依据,建立了磁驱动单侧飞片实验的双侧计算模型,并对PTS-061、PTS-064磁驱动单侧飞片实验进行了模拟分析。在PTS-061、PTS-064实验中,飞片的电流加载面的位移随着时间的增加持续增大;厚的阴极的电流加载面的位移不随时间的增加持续增大,在磁驱动实验中后期基本保持不变。PTS-061实验结束时,飞片的电流加载面的位移为4.9 mm,阴极电流加载面的位移仅为1.7 mm。PTS-064实验结束时,飞片的电流加载面的位移为4.1 mm,阴极电流加载面的位移仅为0.9 mm。磁驱动单侧飞片实验能采用单侧计算模型模拟的原因,不是阴极板面保持位置不动,而是阴极电流加载面的位移不随时间持续增加;在磁驱动实验后期,飞片电流加载面位移对边界磁场的影响远大于阴极电流加载面的位移对边界磁场的影响。     

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。     

电磁功能材料的多场耦合实验研究进展

将对电磁功能材料多物理场耦合性能检测技术和设备做一综述介绍,介绍如何在多物理场耦合条件下测试电磁滞回线、蝶形曲线、电磁致伸缩、应力应变曲线和磁电效应等物理力学性能,并介绍电磁功能材料在多物理耦合场作用下的新的实验现象,包括铁电材料在多轴电场和双轴力载荷作用下的电滞回线、裂纹尖端的畴变规律、磁致伪弹性、磁致伸缩的"回落"等现象.这对于理解电磁功能材料和结构在耦合场下的变形与断裂机制有重要的意义.     

主动振动控制中的非线性研究

本文采用磁致伸缩作动器进行了主动隔振的研究,分析,试验的结果表明,由于磁致缩材料的伸长率与磁场强度之间的非线性特性,导致了该作动器的输出具有谐波成分,激励激的运动亦可表示为杜芬方程的形式,试验证实,由于非线性的存在,主动振动控制效果受到影响。文中通过对激励源的振动信号进行分析,发现这一运动可能是混沌的。     

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。     

磁驱动中心对称挠曲电夹层板力电耦合性能分析

现代工业的发展对材料性能和结构尺寸提出更高的要求,机电器件的设计越来越偏向于小型化、高频化和智能化.最新研究成果表明,磁电耦合复合材料不仅能够以较强的磁电转换效率实现磁能、机械能和电能之间的相互转换,还可以避免结构与机械驱动源的直接接触,实现非接触调控,这对于制备多功能微纳米器件具有重要意义.文章基于Mindlin所发展的多物理场结构理论分析方法,结合宏观压磁理论和偶应力挠曲电理论,研究由单个挠曲电电介质层和两个对称压磁层构成的三明治型夹层板在外部横向磁场驱动下的动态力电耦合响应,其中通过引入曲率将经典力电耦合理论拓宽到中心对称材料.夹层板在正弦型全局磁场和均布局部磁场驱动下的动态数值算例表明:位移和电势具有一定的频率依赖性,当激振频率达到固有频率时,振幅达到最大值;此外,对称式驱动压磁层分布方式趋于提高多层复合板的力电耦合性能.文章理论模型和研究结果可为磁控机电器件的优化设计提供新的改进思路.