基于蚁群遗传算法的超磁致伸缩材料迟滞模型优化研究

超磁致伸缩材料（GMM）是一种新型的智能材料,GMM制作的超磁致伸缩执行器（GMA）在航空、微定位等领域得到广泛应用。本文对GMA设计中的Terfenol-D特性进行优化,基于蚁群遗传算法对超磁致伸缩材料迟滞模型进行优化,建立了基于Terfenol-D棒上超磁致伸缩执行器磁回路。通过优化,磁通分布及线圈功率转化系数呈现明显的提高。

超磁致伸缩材料迟滞特性的新Hammerstein建模

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)作为一种新型功能材料,因其具有磁-机耦合系数大、响应速度快、频响特性好等优点而被广泛应用于能量采集、微位移驱动、精密定位控制等领域,但材料复杂的迟滞非线性影响了其致动器的定位精度,为了辨识超磁致伸缩材料中存在的迟滞非线性,本文提出一种新Hammerstein模型建模方法。此方法的优点在于模型可以更好地逼近迟滞非线性,提供更高的精度,减少了串联环节的参数辨识工作量。首先,构建一个基于双曲函数的迟滞算子扩展空间的极限学习机模型,用其表示新Hammerstein模型中的静态非线性部分。其次,提取极限学习机模型的全连接层的权重和偏置参数用于构建新模型中的动态线性部分的状态空间方程,减少了传统模型中串联环节的模型参数辨识的工作。最后,建立了可以描述超磁致伸缩材料迟滞特性的新Hammerstein模型。新Hammerstein模型的建模相对误差为0.86%~3.69%,平均绝对误差为2.63%,比传统Hammerstein模型均方根误差低0.8μm左右,平均绝对误差提高将近4%。仿真结果证明了新Hammerstein模型对超磁致伸缩材料复杂迟滞特性建模的有效性。

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。

超磁致伸缩换能器磁场强度建模与线圈优化分析

磁场强度是决定换能器性能的关键变量,为了提高超磁致伸缩换能器(GMA)的磁场强度和输出位移,本文提出了一种新型的弓张式发音振子结构,用COMSOL软件建立二维模型,得到超磁致伸缩材料(GMM)棒内部磁场分布情况。由于弓结构内部空间受限,对激励线圈进行优化,讨论了导线经验模型、静态电阻和电感模型的适用性,建立了线圈的平均磁场模型,以线径为决策变量,计算了正弦响应下不同线径的振幅比和相位滞后。结果表明:该模型在计算电阻和电感时的相对误差分别小于5.3%和4.1%。在预测正弦响应时,计算振幅比的误差低于6.6%(在大多数条件下低于1.8%),计算滞后相位的误差低于3.4%。较宽的导线直径对提高磁场振幅有较大的帮助,但对磁场的相位滞后性影响很小。

超磁致伸缩旋转超声加工系统研究进展

旋转超声加工是集传统旋转机加工方式和超声振动于一体的新型特种加工方法,在加工硬脆材料时具有切削力小、切削效率高、工件表面质量高、刀具寿命增长等优势。超磁致伸缩旋转超声加工系统具有相同功率条件下伸缩系数大、能量密度高等优点,在大功率、大振幅研究方面的前景广阔,是目前广受关注的一种新型旋转超声系统。因此,总结了超磁致伸缩旋转超声加工系统的核心功能部件和关键设计技术,综述了当下的超磁致伸缩旋转超声加工系统振幅控制研究现状,并展望其未来发展趋势。

超磁致伸缩单激励椭圆振动系统的设计

为了实现超声振动辅助加工,该文研制了一种超磁致伸缩单激励椭圆振动系统,其由超磁致伸缩换能器和结构不对称的弯曲振动变幅杆组成。利用各组件之间的连续边界条件,推导出超磁致伸缩换能器的频率方程,并根据Timoshenko理论设计了变幅杆。随后,利用有限元方法研究了变幅杆中的过渡圆弧对振动系统输出端头产生的椭圆轨迹的影响。振动系统的谐振频率设计值为20.486 kHz,在换能器的激励下,变幅杆产生纵向及横向振动。实验测试了振动系统的等效电阻抗、变幅杆端面处的纵向和横向振动振幅以及两者的相位差。结果表明,振动系统的实际谐振频率为20.7 kHz,带宽为187.5 Hz,纵向振幅稍大于横向振幅,多次测试后的纵横向振动的平均相位差为101◦。测试的谐振频率、变幅杆端头运动轨迹与计算结果相符。

考虑永磁体偏置的超磁致伸缩换能器磁能损耗分析

研究超磁致伸缩材料的损耗特性是掌握换能器热特性与优化设计的关键,当超磁致伸缩棒材工作在永磁体偏置磁场中,内部磁畴状态变化使得材料的损耗特性发生改变,进而对超磁致伸缩换能器(giant magnetostrictive transducer,GMT)的磁能损耗计算产生了较大挑战。因此,提出考虑永磁体偏置的换能器磁能损耗计算方法,首先,基于超磁致伸缩材料磁化和磁畴理论,推导永磁体偏置条件下的超磁致伸缩换能器磁能损耗数学机理模型。然后,利用微元思想,建立考虑永磁体偏置及棒材轴向磁场分布不均匀影响下的换能器磁能损耗计算模型,并通过有限元方法验证了模型的有效性。最后,搭建超磁致伸缩换能器损耗特性测试平台,通过分析不同工况下换能器的磁能损耗特性,验证所提模型的准确性。实验结果表明:提出的考虑永磁体偏置影响下的损耗计算模型,在换能器励磁频率50~1050Hz、磁通密度幅值0.01~0.25T工况下,模型结果与实测数据的平均误差为2.93%,可有效分析超磁致伸缩换能器的磁能损耗。

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。

超磁致伸缩材料动态涡流损耗模型及试验分析

超磁致伸缩材料Terfenol-D以其大磁致伸缩系数、快速时间响应及高能量密度的特点较广泛应用于高频动态领域,如超声换能器及振动主动控制结构等。磁性材料在高频磁场驱动条件下会产生涡流损耗,工作频率越高,涡流损耗越大,导致超磁致伸缩器件的输出功率显著降低。通过分析影响涡流损耗大小的关键性因素涡流截止频率与集肤深度,得到有效抑制涡流损耗的方式包括降低材料的电导率以及采用叠堆结构材料。采用经典的基于麦克斯韦方程组的涡流损耗模型,分析高频条件下磁场在整体结构与叠堆结构内部的分布,并通过试验比较两种超磁致伸缩材料结构的涡流损耗对材料阻抗频谱曲线、振动幅度的影响。试验结果显示叠堆结构的超磁致伸缩材料能够大幅度地抑制涡流损耗,其模型与试验结果相吻合。

超磁致伸缩材料控制模型的研究

超磁致伸缩材料作为一种新型、高效的功能材料在许多领域显示出良好的应用前景 ,但是由于其存在滞回、非线性等不足 ,限制了它的进一步应用。文章在分析超磁致伸缩现象产生机理的基础上 ,给出了其基于磁感应强度的控制模型 ,并通过分析和实验研究得出 :采用磁感应强度的控制方法可减小超磁致伸缩材料滞回 。

超磁致伸缩执行器率相关迟滞混合模型研究

超磁致伸缩执行器的迟滞具有率相关特性。提出一种混合建模方法用于率相关迟滞建模。首先,在低频激励下,建立系统的率不相关PI迟滞模型;其次,在高频激励下,提出率不相关PI迟滞模型求逆与拟合相结合的方法,将系统响应解耦,进而建立系统线性环节模型;然后,在上述基础上,提出并建立系统迟滞环节的率相关PI迟滞模型;最后,通过系统线性环节模型和率相关PI迟滞模型串联得到率相关迟滞混合模型。实验结果显示:相对于率不相关迟滞模型或率不相关迟滞混合模型,率相关迟滞混合模型具有更高的精度,从而验证了所提模型的有效性和精确性。

超磁致伸缩材料驱动器的数学模型

本文从有助于理解压磁效应的角度 ,建立了超磁致伸缩驱动器 (GMA)的静态力、位移模型。作出了几个有利于指导设计的推论 ,并对设计中的一些问题做了定性讨论。动态建模时 ,在BryantandWang所建模型的基础上 ,作了一些重要改进。首次提出了采用磁通反馈的动态模型 。

基于Armstrong能量模型的非线性动态维拉里磁滞行为建模与验证

磁致伸缩材料工作在应力激励条件下的输出特性在很大程度上取决于偏置条件(预应力、偏置磁场)和激励频率。为指导磁致伸缩材料在动态应力驱动下的应用,需要建立一个能够适应各种操作条件的动态磁滞模型。该文结合Armstrong能量模型和J-A磁滞模型,建立了磁致伸缩材料的静态维拉里磁滞模型,通过引入频率相关时间常数的一阶微分方程将静态模型拓展为考虑动态损耗的动态非线性维拉里磁滞模型。利用粒子群遗传优化算法通过三个递进步骤提取模型参数。实验数据与模型计算数据的对比结果表明,该模型不仅能够充分描述预应力和偏置磁场对准静态维拉里效应的影响,而且能够反映在不同频率动态应力下磁通密度-应力(B-σ)动态小环和主环的变化趋势,该模型可为磁致伸缩材料器件在应力条件下的应用提供理论指导。

超磁致伸缩材料叠堆结构动态涡流损耗模型及性能分析

基于麦克斯韦方程,通过求解GMM棒叠堆结构在时谐激励磁场下沿轴向的内部磁场分布,建立了GMM棒叠堆结构的动态涡流损耗模型,分析了叠堆结构应用中的涡流损耗特性。与仿真结果对比,验证了模型的准确性,并对其误差进行分析,对磁感应强度进行了修正,并且分析了叠堆结构涡流损耗性能的因素,为GMM的实际应用提供理论依据及指导。

基于超磁致伸缩材料的电流互感器涡流损耗模型与分析

基于超磁致伸缩材料的新型电流互感器可以满足智能电网对于高精度、稳定性检测的需要,但超磁致伸缩材料所产生的涡流损耗会影响传感单元的精度和寿命。对基于超磁致伸缩材料的新型电流互感器的涡流损耗计算方法及影响因素进行了研究。首先设计了基于超磁致伸缩材料的电流互感器传感单元的结构,并基于麦克斯韦方程组对整体结构的超磁致伸缩棒进行磁场建模,运用贝塞尔函数对方程组进行求解并得到含有多种变量的内部磁场分布函数,进而利用电磁场知识对涡流损耗进行计算,分析了工作频率以及超磁致伸缩棒半径等因素对涡流损耗的影响,为涡流损耗的补偿提供基础。

超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型

超磁致伸缩致动器的输入磁场与输出应变存在着磁滞非线性。为了控制及使用致动器,必须建立其准确的数学模型。该文基于Jiles—Atherton磁滞模型、二次畴转模型、非线性压磁方程和致动器结构动力学原理,建立了超磁致伸缩致动器的磁滞非线性动态模型。应用该模型对致动器的输出应变进行计算,计算结果与实验结果符合较好,验证了模型的正确性和实用性。

超磁致伸缩材料微位移执行器的设计理论及方法

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，其微位移执行器的设计理论和方法具有特殊性。分析了超磁致伸缩材料的工作特性，给出了超磁致伸缩微位移执行器的原型。在此基础上，建立了执行器的微位移传递机构、磁路、驱动线圈及其冷却等几个关键部分的数学模型，并提出其设计理论和方法。同时，采用上述理论和方法研制了超磁致伸缩微位移执行器样机，通过试验验证了其正确性和实用性。

超磁致伸缩材料作动器的研制及特性分析

采用自制的TbDyFe超磁致伸缩材料设计并制作了主动振动控制用超磁致伸缩作动器 ,并对其偏置磁场、激励磁场、静态特性、动态特性和主动控制减振效果进行了测试和分析。研究结果表明 ,作动器工作应变在TbDyFe材料的线性区 ,其总伸缩量可达 70 μm。低频动态特性好 ,谐频影响小。在自适应滤波控制方式下使用该作动器对正弦振动进行主动控制减振 ,减振效果达到 30dB。磁场均匀性对作动器输出特性有明显影响 ,采用Ansys有限元软件精确设计作动器激励磁场 。

超磁致伸缩致动器的磁-机械强耦合模型

稀土-铁超磁致伸缩材料作为一种新型功能材料,其应用越来越受到人们的关注。为了有效地设计、开发超磁致伸缩材料的器件,必须建立材料器件的输入输出模型。利用能量变分原理,针对研制的超磁致伸缩致动器,建立了系统的磁-机械强耦合模型,并应用有限元法计算了致动器的输入电流与输出位移的关系曲线。计算值与实验值比较吻合,表明所建立的模型能够反映致动器的输入输出关系,模型对于设计超磁致伸缩器件、优化设计方案具有重要意义。

计及涡流效应和应力变化的超磁致伸缩换能器的动态模型

文中在Jiles-Atherton磁滞模型和换能器振动系统的结构动力学原理的基础上,考虑交流驱动时的涡流效应和应力状态的变化,建立了超磁致伸缩换能器的磁弹性动态模型。对换能器系统不同工作情况进行模型的仿真计算并与实验结果对比,发现模型与实验吻合较好。说明所建立的动态模型能较好地描述换能器系统输出应变与驱动磁场之间的关系。根据模型的计算结果拟合出了换能器系统的伯德图,用于指导对换能器系统进行频率跟踪控制。