超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器(GMA)的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。

超磁致伸缩力传感执行器磁路优化设计与分析

以超磁致伸缩力传感执行器为研究对象,基于磁致伸缩与涡流损耗理论,应用COMSOL有限元软件进行磁场分析,系统地研究了导磁体参数对磁通密度与涡流的影响规律。为增大磁通密度、减小涡流损耗,以超磁致伸缩棒中轴线上磁通密度均匀度为评价标准,优化了导磁体参数,并将导磁体分区绝缘。静、动态磁场下与未优化时实验结果进行对比,结果表明:静磁场中优化后的磁通密度均值提升了0.0161T,均匀度提升了4.5%;动态磁场中,分区绝缘可有效减少涡流损耗,优化后的力传感器灵敏度提升了5.76%。

基于Matlab的超磁致伸缩骨传导振子设计平台研发

针对声学领域中利用稀土超磁致伸缩材料(GMM)设计的微型骨传导振子结构设计计算复杂的问题,提出设计一款稀土超磁致伸缩骨传导振子的结构设计平台。在稀土超磁致伸缩换能器设计理论的基础上,利用Matlab强大的数据处理能力和GUI图形用户界面功能搭建了骨传导振子的设计平台。该平台可以对骨传导振子内部的GMM棒、激励线圈、预压力机构等部件进行设计计算,还可对骨传导振子的性能指标进行检验。该平台操作简单,可根据设计要求进行改变参数,有效地提高了设计效率。

基于超磁分离技术的金刚石钻探超细岩粉清除实验研究

为解决金刚石钻探工艺冲洗液中超细岩粉难以清除的难题,探究了基于超磁分离技术清除超细岩粉的效果。设计了不同加药种类和加量情况下的冲洗液超细岩粉清除实验,通过比较超细岩粉去除率和磁种回收率得出最优加药方案。实验结果表明:在3‰浓度的部分水解聚丙烯酰胺无固相冲洗液中加入0.5‰的硫酸铝能达到最佳岩粉清除效果,具有96.76%的超细岩粉去除率以及96.03%的磁种回收率。通过皮尔逊相关系数分析证明了适量加药范围内超细岩粉去除率和磁种回收率呈正相关性。以上研究成果为超磁分离技术在金刚石钻探工艺冲洗液中超细岩粉清除的成功应用奠定了一定的基础。

尺蠖型超磁致伸缩旋转驱动器驱动信号设计与试验

为了解决传统的“信号发生器+功率放大器”产生的信号无法满足尺蠖型旋转驱动器多路、正方波波形需求的问题,设计了一种通过Cmos控制脉冲模块“通-断”时机的信号控制器,从而得到特定时序的3路正方波信号。通过这种方案得到的3路驱动信号为正方波电流信号,从而避免了超磁致伸缩材料的“倍频”现象的发生。通过设置信号周期、占空比和延迟等参数,能够输出设定时序的三路正方波驱动信号。根据电压定律,将正方波简化成阶跃波形,建立了驱动信号的电流模型,并进行了参数辨识。在工作频率范围内,电流解析式能准确地表示电流信号。搭建试验平台进行了试验测试,试验结果表明,在工作频率范围内,信号控制器输出的正方波波形优于“信号发生器+功率放大器”产生的方波信号,设定的3路信号能够驱动尺蠖型旋转驱动器产生步进旋转运动。通过优化驱动信号时序,将旋转驱动器最大工作频率由160 Hz提至210 Hz。

超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的结构设计及喷油特性分析

针对现有喷油器存在的喷油速率低、喷油脉宽大、响应速率慢的问题,提出了一种超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的设计方案。简述了该高压共轨式喷油器的整体设计及工作原理,并且在Jiles-Atherton磁滞模型和液压传动理论基础上建立数学模型;采用COMSOL建立了驱动部分仿真模型,并进行输出位移和应力特性分析,采用AMESim建立了喷油器整体模型,并进行喷油速率分析;搭建试验平台,验证了超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器设计方案的有效性。结果显示:当线圈电流为3.6 A时,超磁致伸缩棒的最大输出位移可达52μm;在160 MPa的压力下喷油最低脉宽从1 ms降低到0.15 ms,并且无论脉宽长短,其脉宽-喷油量均具有良好的线性度。结果表明,提出的设计方案可行,为研制出一种高性能的高压共轨式喷油器奠定了理论和技术基础。

曝气生物滤池+超磁分离工程设计分析

在处理城市溢流生活污水中,曝气生物滤池+超磁分离的组合工艺展现出了显著的优势。该工艺不仅处理效果显著,能够保证出水的稳定性,而且占地面积相对较小,适应了城市空间有限的特点。此外,针对曝气生物滤池的进水方式选择,研究发现不同进水方式对污染物去除率的影响并不显著。然而,在考虑到工程实用性和池体结构优化的前提下,建议采用圆形池体设计以及下进水方式,以进一步提高处理效率并确保池体的稳定运行。

计及漏磁的堆栈式超磁致伸缩制动器多物理场耦合建模研究

堆栈式超磁致伸缩制动器(SGMA)因其能量密度高、响应速度快且便于提供稳定的偏置磁场而得到广泛应用。由于永磁体和超磁致伸缩材料相对磁导率极低,磁路中存在明显的磁场空间分布不均匀的现象,磁-机耦合导致其动力学相较于传统结构的制动器更为复杂。为了准确地预测SGMA的输出特性,该文基于有限元仿真搭建了计及漏磁的等效磁路,并结合Jiles-Atherton模型、非线性本构模型及考虑分布特性的结构动力学模型,借助Pspice电路仿真软件建立了超磁致伸缩制动器多物理场耦合动态模型。相较于传统的制动器多场耦合模型,所提模型能够更精准地分析磁路中的漏磁行为,并反映由磁场不均匀引起的力学分布特性。最后搭建制动器输出位移测试平台以验证模型的准确性,模型计算结果与实验结果吻合度良好,证明了所建立模型能有效表征SGMA的输入-输出特性。

面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析

面向超磁致伸缩换能器的超声电源相对于传统的压电换能器超声电源存在一定的区别,但是目前这方面的相关研究报道较少。本研究建立了带有无线能量传输装置的等效电路模型,设计了一种面向超磁致伸缩换能器的超声电源。频率源基于直接数字合成(DDS)技术并利用全桥开关放大电路进行功率放大,使用相位和有效值(RMS)计算实现频率追踪策略,从而使该电源具备定频信号输出以及实时频率追踪的功能。最后,对超磁致伸缩换能器超声电源的输出性能进行了测试与分析,结果表明,在开环定频驱动功能下可以输出15~50 KHz的超声信号,在闭环追频驱动功能下可以在工作频率点处长时间稳定驱动超磁致伸缩换能器。此外,文章对面向超磁致伸缩换能器的超声电源进行了升级,并进行实验验证该电源可以实现超过1 kW的大功率输出。

基于COMSOL的超磁致伸缩作动器磁路仿真及优化

提出一种超磁致伸缩作动器(GMA)结构,使用激励线圈与永磁体组合的方式提供驱动磁场。基于电磁学原理,首先建立了磁路的数学模型,然后使用COMSOL Multiphysics软件建立了GMA的有限元模型,分析了内部磁路开闭路以及导磁材料的相对磁导率对超磁致伸缩材料(GMM)棒中心线上的磁感应强度及均匀度的影响,同时以GMM棒中心线上的磁感应强度及均匀度作为评价指标,对上导磁体结构进行了优化设计。仿真结果表明,内部磁路闭合及适当增大导磁材料相对磁导率能够有效提高GMM棒中心线上的磁感应强度。上导磁体结构优化后,GMM棒中心线上的磁感应强度最终增加了0.18 T,均匀度提升至92%。

超磁致伸缩换能器磁路设计及振动性能测试

研制了一种超磁致伸缩换能器。为了改善磁路,提高换能器的振动性能,利用有限元法对换能器进行仿真计算,重点研究了导磁块和导磁筒对换能器性能的影响,又仿真计算了换能器工作时的温升;对研制的换能器阻抗和振幅进行了测量;结果表明:随着导磁筒厚度的增加,Terfenol-D棒的磁场强度先增大后减小,磁场均匀度先减小后不变,输出振幅先增大后略有减小;随着导磁块厚度的增大,Terfenol-D棒的磁场强度和磁场均匀度增大,输出振幅也增大;与无导磁筒的换能器相比,有导磁筒的换能器的机电转换系数和输出振幅均较大,但工作相同时间后的温度较高。该研究提供一种对超磁致伸缩换能器的磁路结构进行设计优化,并提高其振动性能的仿真计算方法。

高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器的设计及性能仿真分析

近年来我国轨道交通技术高速发展,高速列车的运行速度也不断提高,但由于轨道不平顺、车体轻量化设计、会车及通过隧道等原因导致车体振动加剧问题愈加突出,采用作动器提供主动控制力以抵消车体振动的主动悬架系统可极大程度地提高车辆的安全性和舒适性,故将作动器应用于高速列车主动悬架符合列车减振要求和发展方向。为此,文中结合高速列车主动悬架对减振作动器的要求,设计了一种高速列车主动悬架超磁致伸缩作动器,采用TX定向超磁致伸缩材料(GMM)及液压式位移放大机构二者相结合的方式,保证列车减振所需的输出位移和输出力,借助COMSOL软件确定了关键部件的参数,采用MATLAB软件搭建模型进行了性能仿真分析,并搭建基于LABVIEW的超磁致伸缩作动器试验台进行了验证。

基于CMAC神经网络的超磁致伸缩非线性控制

对于超磁致伸缩材料固有的迟滞非线性特性,本文提出一种基于小脑模型神经网络(CMAC)前馈逆补偿与PID相结合的复合控制方法。首先利用CMAC神经网络学习获得超磁致伸缩致动器(GMA)的迟滞逆模型进行补偿,再利用CMAC模型在线快速学习适应的能力,结合PID控制器降低跟踪控制时的误差和扰动,从而实现GMA的精密控制。通过MATLAB建立了CMAC前馈逆补偿控制器和CMAC-PID复合控制模型,最后通过仿真实验验证所提方法的有效性。结果表明,提出的利用CMAC神经网络逼近的迟滞模型具有令人满意的精度,在CMAC-PID复合控制方案的作用下,系统的期望位移与实际位移相对误差值最大值仅2.39%,平均相对误差值不到0.5%。说明该控制策略能适应控制对象的非线性变化,有效地提高GMA的跟踪精度。

超磁致伸缩作动器传热分析与温度场仿真

超磁致伸缩材料易受温度的影响,最佳工作温度范围为40~50℃。为保证超磁致伸缩作动器的工作性能,在理论分析超磁致伸缩作动器内部传热过程的基础上,利用COMSOL Multiphysics软件对超磁致伸缩作动器的内部温度场进行仿真,并依据仿真结果对冷却水的流速进行优化,最终确定优化后的冷却水流速为0.14 m·s-1。在此流速下的超磁致伸缩材料棒的稳态温度能够维持在40~50℃,并且具有较大的平均值,能够保证超磁致伸缩作动器的工作性能。

超磁致伸缩式喷油器的结构参数优化及其响应特性研究

为提高现有喷油器的动态响应特性,采用超磁致伸缩驱动器(GMA)通过液压腔驱动球阀的形式,提出一种超磁致伸缩式喷油器(GMI)的设计方案。在阐述该喷油器的结构组成和工作原理基础上,基于Jiles-Atherton磁滞模型建立GMA的输出力模型,将其与喷油器液力模型耦合,建立了该喷油器的电-磁-机-液多场耦合模型;基于MATLAB/Simulink模块搭建该喷油器的仿真模型,分析不同偏置磁场下GMA的磁致伸缩曲线,以及不同GMA预应力下的球阀响应曲线;采用遗传算法,选取针阀响应时间为评价指标,对GMA的预应力、进出油孔直径、控制腔容积等关键参数进行优化。结果表明:设计的超磁致伸缩式喷油器具有良好的响应特性,优化使针阀开启延迟降低27.3%,针阀上升时间降低11.0%,针阀关闭延迟降低19.5%,针阀下降时间降低9.9%。

超磁分离+曝气生物滤池工程设计及运行效果探讨

采用超磁分离+曝气生物滤池组合工艺处理城市溢流生活污水,工程处理规模为100 000 m3/d,对氨氮、TP、COD、BOD5、SS等指标平均去除率分别为80.69%、81.33%、84.56%、88.27%、85.00%,出水主要指标优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准(不考核TN)。实践表明,超磁分离+曝气生物滤池的组合工艺具有处理效果好、出水稳定、占地面积小、运行管理方便等优点,其中曝气生物滤池的进水方式对污染物的去除率影响不大,建议曝气生物滤池采用圆形池体和下进水的方式,在工程应用中运行状况更优。

超磁致伸缩执行器驱动磁场理论分析与实验研究

在分析超磁致伸缩材料的驱动原理和超磁致伸缩执行器结构的基础上 ,重点对执行器内部的驱动磁场进行了理论分析和实验研究 ,得出了超磁致伸缩执行器驱动电流与超磁致伸缩棒的驱动磁场之间存在一定的非线性和滞回的结论 ,并分析了其产生原因 。

超磁分离技术在苏州市平江河治理中的工程应用研究

苏州市平江河水质曾长期偏差,直接影响古城形象。2019年,乘轨道交通施工之机,苏州市新建一座超磁分离水体净化站作为平江河治理的水质应急保障工程。近年来,该工程运行稳定,累计处理水量超过5 200万m^(3)。超磁分离技术对微污染景观类水体的改善与维持效果非常显著,悬浮物(SS)、总磷(TP)的去除率均超过90%。该工程通过构建河道水下森林,恢复水生植物的自净能力。除总氮(TN)外,实测水质指标已达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类水质要求。

椭圆驱动超磁致电动机设计

超磁致材料GMM(Giant Magnetostrictive Material)作为高科技功能材料得到了迅速发展,由于具有大的室温超磁致伸缩系数,高的电(磁)能-机械能转换率,高能量密度,响应快等优异特性,GMM得到了广泛应用。文中根据 GMM磁-机能量耦合转换机理,结合有限元分析开发了CAD软件,设计了GMM微致动器,并通过GMM致动器组合构型:构思与研制了一种具有高出力、快响应、可控性好的新型椭圆驱动超磁致电动机,并得到了试验验证。

超磁分离技术在井下矿井水处理中的有效应用

采用超磁分离技术和水净化技术处理矿井水。具有处理时间短、占地面积小、污泥排放浓度高、能耗低、处理效果好等优点。在地下矿井水直接回用处理中,实现了水的输送、水井、降低作业负荷、力泵提升系统和储能管道系统,解决了地下蓄水箱疏浚的问题。超磁分离水净化技术操作简单,自动化程度高。