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超磁致伸缩驱动器的结构优化与磁滞建模分析

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摘要

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附表清单

1.1 研究背景

1.2 超磁致伸缩材料的研究现状

1.2.1 超磁致伸缩材料的发展

1.2.2 超磁致伸缩材料的特性

1.2.3 超磁致伸缩材料的应用

1.3 超磁致伸缩驱动器的研究现状

1.3.1 概述

1.3.2 超磁致伸缩驱动器的发展

1.3.3 超磁致伸缩驱动器的温度补偿方法

1.3.4 超磁致伸缩驱动器的磁滞建模方法

1.4 选题意义及研究内容

1.4.1 选题意义

1.4.2 课题研究难点

1.4.3 课题研究内容

2 超磁致伸缩驱动器的结构优化设计

2.1 超磁致伸缩驱动器的结构

2.2 预压应力装置优化设计

2.3 温度补偿系统的设计

2.3.1 驱动器的热源

2.3.2 热载荷计算

2.3.3 复合温度控制装置设计

2.3.4 水冷却系统设计

2.4 磁场磁路的结构设计

2.5 驱动器设计结果

2.6 本章小结

3 超磁致伸缩驱动器关键部件的有限元分析

3.1 预压应力装置的有限元分析

3.1.1 有限元模型的建立

3.1.2 弹簧板强度校核

3.1.3 预压力装置的模态分析

3.2 温度补偿系统的有限元分析

3.2.1 新型温度补偿系统

3.2.2 稳态热分析

3.3 磁场结构的有限元分析

3.3.1 GMM棒上磁场分布建模

3.3.2 控制磁场均匀性分析

3.4 本章小结

4 超磁致伸缩驱动器的磁滞非线性建模

4.1 磁滞非线性模型建立

4.1.1 Jiles-Atherton模型

4.1.2 等效力学模型

4.2 模型求解

4.2.1 方程离散化

4.2.2 边界条件处理

4.2.3 差分格式稳定性判断

4.2.4 模型的联立求解

4.3 本章小结

5 超磁致伸缩驱动器磁滞模型的数值仿真分析

5.1 模型结果的比较分析

5.1.1 磁滞非线性影响分析

5.1.2 滞回环的比较

5.2 讨论参数对模型结果的影响

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

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摘要

超磁致伸缩驱动器(Giant magnetostrictive actuator,简称GMA)具有响应速度快、应变量大、输出力大等优点,能够实现电磁能和机械能或电磁信息和机械位移信息之间相互转换,是微位移驱动器、液压元件和振动控制的重要驱动元件。但超磁致伸缩驱动器具有磁滞非线性特性,限制了超磁致伸缩驱动器的应用范围。因此,对超磁致伸缩驱动器进行结构优化及其磁滞非线性的建模分析,无论在理论和实际工程应用方面都具有重要意义。
  本文以超磁致伸缩驱动器为研究对象,对预压应力装置、温度补偿系统、磁场结构进行优化设计并仿真分析。采用ANSYS有限元软件对预压力装置进行静力学及模态分析,找出了驱动器的工作频率区间;分析了温度补偿系统的散热性能,表明所设计的温度补偿系统具有良好的降温效果;建立了磁场结构的磁路模型,并采用有限元法对其进行仿真分析,表明了建立的磁路模型是准确的;建立了超磁致伸缩驱动器的磁滞模型,并基于Jiles-Atherton模型建立了GMA的输出力等效模型。
  研究结果表明:设计的新型的预压应力装置承受最大应力达955MPa,其一阶谐振频率为269.46Hz,其值小于GMA的工作频率,对GMA产生影响较小;无温度补偿装置时,GMM棒上的最高温度为65.369℃,当采用温度补偿系统时温度保持为23.753℃,表明设计的温度补偿系统具有良好的降温性能;当仅有驱动线圈时,GMA内部的磁通密度分布不均匀,最大磁通密度为4.7×10-4T,当在GMM棒两端加入导磁块时,GMA内部的磁场分布明显均匀,最大磁通密度为6.11×10-4T,当加入外套筒形成闭合磁路时,GMA内部的最大磁通密度增大到6.77×10-4T,表明所设计的磁场结构导磁性能好;基于Jiles-Atherton模型,建立了等效力学模型,并得出了在激励磁场的作用下,GMA的输出位移随时间的变化曲线,有效模拟出了GMA的磁滞非线性特性;分析了不同偏置磁场强度、饱和磁化强度以及外部等效质量、刚度、阻尼因素对GMA输出性能的影响,得出了当偏置磁场增大时,GMA的响应幅值减小,当饱和磁化强度、外部等效质量、刚度、阻尼增大时,GMA的滞回环面积减小。

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