Galfenol合金应用研究进展

Galfenol合金是一种既有良好的机械性能又具有大磁致伸缩率的新型磁致伸缩材料。介绍了Galfenol合金的性能,分析了目前Galfenol合金各种本征非线性建模方法的特点,认为目前普遍采用磁各向同性的一维建模方法无法揭示和完整描述Galfenol的磁致伸缩行为,考虑材料磁各向异性特性的建模方法是合适和必要的;重点阐述了Galfenol合金在微驱动器、复合悬臂梁、流体传输与控制、微传感器等领域中的应用现状,认为充分发挥Galfenol合金的可加工性,将其制作成各类微动器件所需要的形状,将更具有实用性。

Galfenol悬臂梁能量采集器的机电耦合动态模型

依据欧拉–伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律,建立Galfenol悬臂梁振动能量采集器的分布参数机电耦合动态模型,由该模型推导出器件的频率特性表达式。计算在加速度激励下,器件输出的电压、电流、功率和顶端相对位移,并对器件的机电双向耦合重要动力学特性,如短路和开路行为,进行深入研究。计算结果与实验结果的比较表明,该模型能提供器件在低加速度激励时的合理数据趋势,并能预测器件在多阶模态下的机电双向耦合动态特性。建立的模型对于器件的整体性能预估、设计、控制和使用具有重要的指导作用。

Galfenol智能悬臂梁中的频率相关性及其自适应动态控制

利用主振动模态对Galfenol智能悬臂梁进行数学建模,通过对不同频率的悬臂梁位移数据进行研究发现,悬臂梁的模型参数具有频率相关性,频率大于220 Hz时参数的变化较明显。为了克服模型参数的频率相关性,提出一种基于状态观测器的鲁棒性自适应控制算法,通过对模型参数进行自适应识别的方法来改善悬臂梁的控制效果。将该算法与Luenberger观测器进行对比,分别进行数值仿真和试验研究。研究结果表明,自适应观测器可以有效预测悬臂梁的状态变量,所提出的基于死区的参数识别算法,可以抑制悬臂梁高阶模态带来的信号畸变,使模型参数仍收敛于有效值。动态跟踪控制试验表明,驱动频率为100 Hz和500 Hz时,采用相同的初始模型参数仍然可以达到较好的控制效果。

基于分布参数模型的Galfenol智能悬臂梁动力学建模方法及控制

研制一种基于Galfenol合金的智能悬臂梁结构,同时考虑粘合层对结构动态性能的影响,建立计及粘合层的分布参数动力学模型,该模型以电磁线圈为驱动源,为减小高频磁场造成的涡流损耗,设计一种叠片结构的U形驱动线圈对智能悬臂梁进行驱动,并通过试验对该结构下的动力学模型进行验证;由于分布参数模型状态输出变量与参考电压没有直接耦合,提出一种基于分布参数模型的滑模变结构解耦控制方法,通过对输出变量矩阵解耦可以实现输入与输出的直接耦合,同时针对柔性结构中存在的次谐波扰动,利用Lyapunov函数证明了在非匹配条件下控制系统的稳定条件,并通过仿真试验对结论进行验证,同时,以比例—积分控制作为对比试验,与提出的滑模变结构解耦控制进行对比,通过比较不同频率下的动态跟踪结果,证明了所提出的控制方法不仅解决了复合悬臂梁分布参数模型中的不耦合问题,同时可以有效抑制Galfenol合金的磁滞非线性,使系统可以较好地跟踪外界参考输入。

取向Galfenol合金的结构与磁致伸缩应变

采用非自耗真空电弧熔炼方式制备了不同Ga含量的Fe100-XGaX(X=17、19)合金铸锭,利用定向凝固的方法试验研究了取向多晶Fe-Ga合金的结构与磁致伸缩应变。研究发现,采用定向凝固工艺制备的Fe83Ga17合金试样沿轴向呈现出明显的{110}织构特征。在低场下不同成分两种试样的磁致伸缩随磁场的增加迅速增大,在磁场强度大约为40 kA/m时Fe83Ga17合金的磁致伸缩λ达到饱和,为55×10-6。Ga含量为19%的定向凝固试样沿轴向取向性有所降低,晶粒中存在很多的亚晶界。富Ga相的析出和亚晶界的出现不利于磁致伸缩性能的提高。

Terfenol-D超磁致伸缩换能器的有限元模拟

本文研究了利用ANSYS软件分析磁致伸缩换能器，使这一有限元分析软件能够用于TerfenolD换能器的分析设计。设计了14kHzTerfenol－D纵向技能器，计算结果与实验结果符合很好。

应力对Galfenol合金磁感应强度的影响

测试了<100>取向多晶Fe_(81.6)Ga_(18.4)合金不同偏置磁场下磁感应强度与应力的关系曲线,在此基础上进行了磁感应强度感知应力灵敏度的分析。实验中施加的应力为0.05Hz、±63MPa的准静态拉压应力。偏置磁场通过两种方法施加,一种是给激励线圈通恒定电流;另一种是通过比例积分调节器给激励线圈通可控的电流以维持合金中磁场的恒定。分析结果表明,在1.6k A/m恒定偏置磁场下,压应力为-3.6MPa时最大感知应力灵敏度为75.5m T/MPa;当电流为0.384A(零应力下的磁场约为4.0k A/m),压应力为-21MPa时,恒电流偏置下最大感知应力灵敏度为41m T/MPa。

利用Galfenol薄片的环境振动能量收集装置

针对小功耗电子设备供电的需求,拟对生活中存在的丰富振动能量进行利用,设计一种以Galfenol材料的磁致伸缩逆效应和法拉第电磁感应的耦合特性为实现原理,以薄片状Fe-Ga合金为核心元件,对振动进行收集并转换为电能的装置。以Jiles-Atherton磁化模型为基础,结合悬臂梁弯曲理论建立了振动能量收集装置的感应电压与应力及力和加速度间的数学关系模型;分析了振动薄片内部总应力与运动状态间的数学关系。实验表明该装置产生的电压幅值可达到201 mV,并且在低频段发电效果最佳。研究成果为实现小功耗电子元件的无源供电提供一种新方法。

基于ATILA的Terfenol-D棒输出特性分析

稀土磁致伸缩换能器是一种能够实现电能转换为声能的能量转换器件。Terfenol-D棒是磁致伸缩换能器的动力驱动元件,它受磁场激励后产生连续的轴向振动,从而推动着辐射板向谐振腔体内辐射声场。应用ATILA有限元软件对主动材料Terfenol-D棒进行模态及谐响应分析。重点考察分析Terfenol-D棒长径比、激励电流和预应力对Terfenol-D棒输出特性(磁棒活塞振型频率及轴向振动幅值)的影响。研究结果表明:磁致伸缩换能器可按工况需求,选择不同长径比的Terfenol-D棒以达到理想的轴向输出位移;Terfenol-D棒的轴向输出位移随外加激励电流的增加而逐渐增加;当激励电流一定时,合适大小的预应力可有效增加Terfenol-D棒轴向输出位移,而预应力过大则会影响Terfenol-D棒轴向输出位移。

800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

本文研制了８００Ｈｚ Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ鱼唇式弯张换能器，换能器设计中采用永磁偏磁场和能有效抑制涡流损耗的闭合磁路结构，最高声源级１８５ｄＢ，－３ｄＢ带宽１８０Ｈｚ。这种鱼唇式弯张换能器克服了连续直流提供偏磁场时发热强的缺点，并且仅需要普通的功率放大器，更适于长时间连续工作，使这一新型低频大功率水声换能器趋于实用化。

考虑附加涡流损失的Galfenol合金动态滞后建模与实验

在Galfenol合金能量平均静态滞后模型基础上,考虑铁磁材料在动态磁场作用下的涡流损耗和附加损耗,建立了Galfenol合金动态滞后磁化强度模型和应变模型。利用Galfenol合金磁特性测试系统进行了应变和磁场静态特性测试,测试结果与模型计算结果吻合较好。利用该测试系统测试了〈100〉取向多晶Fe83Ga17合金在动态磁场频率分别为1、10、20、40、60、100、200、300 Hz作用下的应变和磁场的关系。实验结果和模型计算结果对比表明,在磁场频率为200 Hz以下时,模型能准确反映应变与磁场的关系,频率为200 Hz以上时,计算结果与实验结果出现偏差。该模型能用于Galfenol合金的器件设计与应用。

Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状复合磁电传感器磁电效应

采用树脂粘结法制作了L-T型(磁致伸缩层的磁化方向与压电层的极化方向相互垂直)Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状复合磁电传感器。采用等效电路法对磁电系数进行了详细推导,得到磁电系数方程。磁电系数方程显示磁电系数决定于Terfenol-D与PZT的性能参数和磁电传感器中两种材料的体积比。为此从理论和实验上分析了偏置磁场、传感器中两种材料所占的体积比以及驱动磁场频率对磁电系数的影响规律。结果表明偏置磁场、传感器中两种材料所占的体积比和驱动磁场频率对磁电传感器磁电系数的影响都很明显,并且磁电系数的计算结果与实验结果一致,对于所制作的复合磁电传感器,相同条件下磁电系数的计算值与实验值的相对差值小于6%。

基于Eshelby等效夹杂理论的Terfenol-D复合材料磁致应变模型

基于Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法建立了Terfenol-D复合材料中合金颗粒平均应力、扰动应变和复合材料整体平均应变的计算模型,并利用此模型对Terfenol-D复合材料在不同制备工艺条件下的饱和磁致伸缩应变进行了计算.结果表明:Terfenol-D复合材料的饱和磁致伸缩应变随粘结剂含量的增加而呈线性下降,但粘结剂含量不能过少,合适的粘结剂含量应在2.5%～4.0%之间;随复合材料外加预压应力的增大,其饱和磁致伸缩应变增大;实验结果与模拟结果的数据曲线趋势一致.

基于各向异性的Galfenol复合悬臂梁三维非线性耦合模型

通过Maxwell方程研究动态条件下三维驱动磁场的非线性分布,利用弱解式方程将Galfenol合金本征非线性模型与复合悬臂梁结构模型进行耦合,得到基于各向异性的悬臂梁磁机耦合非线性模型。模型仿真结果表明,磁感应强度最大的位置出现在靠近悬臂梁固定端的一侧,悬臂梁机械应变的分布结果与磁感应强度类似。分别利用非周期阶跃信号和周期正弦信号对复合悬臂梁进行试验研究。结果表明,所建立的三维非线性耦合模型可以较好地预测试验数据中的死区部分、线性区间以及饱和区间,由于柔性结构中存在的次谐波扰动,阶跃响应中试验曲线出现小幅波动现象,模型可以较好捕捉试验结果中出现的次谐波扰动特征。

基于虚功原理的Galfenol悬臂梁建模与带载特性研究

研究了带载条件下Galfenol驱动器的磁机耦合建模方法,利用离散型能量均分模型(Discrete energy-averaged model)对Galfenol的磁滞非线性和饱和非线性进行建模,可以同时描述合金对于磁场和应力的依赖性。采用虚功原理将能量均分模型与驱动器的结构模型进行动力学耦合,研究了带载条件下驱动器的输出特性,并对不同Galfenol覆盖比时驱动器的驱动能力进行了研究,将计算结果与稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)和压电陶瓷进行了对比。研究结果表明,驱动器的带载能力随着Galfenol悬臂梁材料覆盖比的增加而增加,材料内部承受的张力也随之增大;Galfenol合金良好的机械性能可以克服负载增加时所承受的张力的变化,解决其他智能材料易产生的失效问题。

变频率条件下Galfenol驱动器参数辨识方法研究

利用线性压磁方程和欧拉-伯努利方程建立了基于Galfenol(Fe-Ga合金)驱动器的动力学模型,在变频率条件下,驱动磁场存在扩散效应,直接影响模型对于驱动器动态特性的预测。为解决普通梯度算法无法收敛的问题,提出了一种基于遗传算法的动力学模型参数辨识方法,无需满足持续激励条件,可对变频率条件下驱动器的压磁系数和阻尼系数进行辨识。计算结果表明,辨识算法收敛性好,经过7次迭代以后即可寻找到最优值。同时进行了对比实验,结果显示驱动频率低于220Hz时模型参数变化较小,更高驱动频率时模型参数发生较大的变化。利用该方法可以在变频率条件下准确掌握驱动器结构参数的变化,为Galfenol驱动器磁路的设计与控制提供理论指导。

一种交变载荷下Galfenol力传感器结构与能量效率的优化策略

提出了一种新的面向交变载荷的力传感器测量结构,以Galfenol合金为敏感元件,将合金的两端加工成与锁紧结构配合的接口,可以对Galfenol棒进行挤压或者拉伸,通过检测材料磁化率变化引起的感应电动势可以确定外加交变负载的大小与方向。在传感器工作机理的基础上,提出了一种传感器能量利用效率优化策略,采用封闭结构对Galfenol合金力传感器磁路进行了设计与优化,分别采用二维和三维有限元方法,研究了开放式磁路结构和提出的新型结构在磁路分布以及能量利用效率上的特征。仿真和实验结果表明,所提出的新型传感器结构,不仅在结构上可以增强Galfenol合金中磁通密度分布的均匀性,同时可以大幅提升传感器的能量利用效率,其提升率超过50%,同时对所设计的传感器结构进行加载交变载荷试验,试验结果验证了传感器设计方案的可行性。

Terfenol-D棒磁致伸缩特性及可加工性能研究

Terfenol-D中磁致伸缩应变与磁场强度关系的非线性,影响了磁致伸缩控制元件的精度和稳定性。拟采用轴向开槽的方式降低Terfenol-D棒由于涡流损耗产生的热致变形。但是由于材料本身的物理特性,Terfenol-D棒体加工难度很大。为对Terfenol-D材料的加工性能进行研究,选用了线切割和精密磨削两种方式对Terfenol-D棒进行开槽处理,结果表明线切割后加工表面虽然有一定的剥落凹坑产生,但对棒体的磁致伸缩特性影响较小。Terfenol-D棒开槽前后伸缩量测试结果表明在棒体表面开4轴向槽可以降低材料的涡流损耗,提高输出位移-磁场强度关系的线性度。

高介电常数PVDF/PZT/Terfenol-D复合材料的介电性能研究

以聚偏氟乙烯(PVDF)为聚合物基体,PZT为陶瓷相,稀土铁合金粒子Terfenol-D为添加组分,运用聚合物熔融压片法制备了聚合物体积含量为30%的0.3PVDF/(0.7-f)PZT/fTerfenol-D三相复合材料。研究了Terfenol-D的体积含量、频率对复合材料介电性能的影响。结果显示:Terfenol-D粒子的加入,可以提高0.3PVDF/0.7PZT复合材料的介电常数,PVDF/PZT/Terfenol-D复合材料具有介电常数高、介电损耗小的特点。

Galfenol合金的显微组织和磁致伸缩性能

采用非自耗真空电弧熔炼方式制备了不同Ga含量条件下的Fe100-XGaX(X=16、19、21、27)合金铸锭,系统研究了不同成分合金铸锭的显微组织结构和磁致伸缩性能。结果发现,铸态Fe-Ga合金室温基本结构为无序的bcc结构,随着Ga原子含量的增加,立方晶格的晶格常数逐渐增加。富Ga相的数量和分布直接影响着铸态合金的磁致伸缩性能,Fe81Ga19合金的饱和磁致伸缩最大,达到93×10-6,Fe79Ga21合金由于在26.64°附近存在(111)面有序DO3相的析出,进一步抑制了磁致伸缩性能的提高,其饱和磁致伸缩最小只有20×10-6。铸态多晶Fe84Ga16合金沿〈110〉方向具有一定的择优取向,因偏离〈100〉易磁化方向,因此其磁致伸缩系数较低。