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。

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悬臂梁磁致伸缩式旋转电机设计及有限元分析

针对压电式惯性冲击旋转驱动器在转速和负载方面的不足,利用Galfenol材料作为驱动源,设计了一种Galfenol悬臂梁磁致伸缩式旋转电机。该旋转电机基于惯性冲击的原理工作,在2种不同的锯齿波电信号的驱动下,可以实现双向旋转,具有响应快、转速快、负载能力强等优点。设计了Galfenol悬臂梁磁致伸缩式旋转电机的结构,采用有限元的方法对该电机的主要部分Galfenol悬臂梁,进行了有限元分析。结果表明当质量块的重量为1 N时,Galfenol悬臂梁可以驱动其移动0.05 mm。

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。

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。

高频响应悬臂梁单向阀动态特性研究

单向阀动态性能是影响磁致伸缩电液作动器中核心部件磁致伸缩泵输出性能的因素之一。已应用于磁致伸缩泵配流的悬臂梁单向阀在使用过程中出现随着启闭频率上升而响应性能下降问题,通过理论分析,提出了一种高频响应双瓣式悬臂梁单向阀,对已有和提出的单向阀进行动态响应分析。通过流固耦合在阀两端输入幅值为60 kPa的正弦压差,对比分析了已有和提出的两种单向阀的响应性。结果表明:随着输入压差信号频率的增加,已有单瓣式悬臂梁单向阀出现了响应滞后和阀口不能关闭的情况,阀口未关闭位移随频率的增大而增大,输入频率每增加100 Hz,阀口不闭合位移增加2.1%;双瓣式悬臂梁单向阀在相同结构参数下频率响应和阀口关闭情况都优于单瓣式单向阀,输入频率每增加100 Hz,阀口不闭合位移增加1%,减少了阀口回流,阀的高频响应优点可以适应磁致伸缩材料高频宽的特点。为高性能智能电液作动器的发展提供支持。

基于半解析法的功能梯度悬臂梁力学行为研究

功能梯度材料(Functionally Graded Material,FGM)物理性能优良,具有重要的应用价值,近些年来受到了越来越多的关注。本文发展了一种可用于功能梯度悬臂梁受力分析的半解析方法,该方法具有与解析法同等的计算精度,并且可用于材料性能梯度分布复杂情况下的悬臂梁结构受力分析。将该方法用于材料性能按线性梯度分布、指数梯度分布、复杂经验公式梯度分布的功能梯度悬臂梁受力分析,并与解析法、梯度有限元法、分层有限元法的计算结果进行了对比验证。研究结果表明,当高度和长度方向的积分点数分别为11个和21个时,半解析法和梯度有限元法计算的弯曲应力分布结果与解析解基本一致,分层有限元法计算的弯曲应力分布结果与解析解相差较大,相对误差大于10%。而对于挠度值分析,半解析法、梯度有限元法、分层有限元法的计算结果均与解析解非常接近,最大相对误差不超过1.0%。

基于便携式悬臂梁麦克风光声光谱仪测定温室气体的方法研究

介绍了一套基于便携式悬臂梁麦克风光声光谱监测大气环境温室气体浓度的高灵敏系统,采用脉冲红外光源通过窄带光学滤光片,形成中红外区的多个光谱波段,结合光学悬臂梁麦克风技术,具有超高灵敏度,可去除背景气体干扰,实现同时监测多种气体。通过对温室气体浓度的测量,验证了甲烷(CH_(4))的方法检出限为0.226×10^(-6),二氧化碳(CO_(2))的方法检出限为2.624×10^(-6),其余的温室气体检出限最低为四氟化碳(0.052×10^(-6)),最高为三氟化氮(0.164×10^(-6))。同时验证了长期重复性,CO_(2)的1倍标准偏差为0.405 5,最大漂移量为1.775 6×10^(-6);CH_(4)的1倍标准偏差为9.162 0,最大漂移量为36.261 1×10^(-9);该仪器对CO_(2)的最大示值偏差为-0.04×10^(-6),CH_(4)的最大示值偏差为1.48×10^(-9)。温室气体的相对标准偏差均<2%;CO_(2)和CH_(4)的平均响应时间均为2 min 40 s;CO_(2)和CH_(4)的决定系数(R~2)均>0.999 9,CO_(2)拟合残差在±0.05×10^(-6)以内,CH_(4)拟合残差在±1×10^(-6)以内。

基于改进SSA结合模糊RBF神经网络的悬臂梁振动主动控制

随着航空航天事业的发展,为了节省燃料,同时提高航天器速度,航天器采用更轻的材料来减少质量。然而,此举也引入了柔性振动,灵活的振动增加了姿态控制的时间,导致姿态精度控制不尽如人意。因此,有效抑制柔性振动以实现高精度姿态控制非常重要。论文以柔性压电悬臂梁作被控对象,并利用压电薄膜(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)作传感器和致动器,分析其振动的控制问题。基于PID和模糊理论的局限性,结合模糊控制器能模仿专家经验和径向基神经网络(Radial Basis Function Network,RBFNN)善于学习的优点,设计了模糊径向基(Fuzzy Radial Basis Function,FRBF)神经网络控制器来抑制悬臂梁的振动,并采用混沌映射的种群初始化策略、疯狂算子的领导者位置更新策略、精英保留及动态惯性权重的追随者位置更新策略改进的樽海鞘群算法(Salp Swarm Algorithm,SSA)来优化模糊神经网络权值。将改进后的控制方法在Matlab软件环境下进行了数值仿真,仿真结果表明,应用改进的模糊径向基神经网络控制器可以有效地提升主动控制的振动效果。

一种双简支―悬臂梁反共振隔振器设计分析与试验

[目的]为探究三元件型反共振隔振器的实现形式,提出一种由一根悬臂端含质量块的双简支-悬臂梁与一根双支撑梁所组成的机械装置(BAVI)。[方法]首先,分析双简支-悬臂梁的动态特性,推导其阻抗方程;然后,根据驱动点阻抗函数综合其低阶模型是单惯容与单弹簧二元件的串联结构,并解析低阶模型的等效参数;最后,通过装置试件设计与试验,验证其反共振特性和理论方法有效性,并在此基础上分析装置刚度特性及不同阻尼形式的效果。[结果]结果表明,当跨度比共振隔振器结构,具有“高静低动”刚度特性;在双简支-悬臂梁上采取阻尼措施后,可实现隔振区传递率以最大速率衰减的同时抑制共振峰的效果。[结论]所提机械装置证明了三元件型反共振隔振器的可实现性,提供了一种简易可行的工程结构。

基于状态观测器的智能悬臂梁自适应SSDV半主动振动控制研究

半主动振动控制因其不需精确的结构模型就能实现较好的振动控制效果,以航天器上使用的某种轻质复合材料制作的智能悬臂梁结构件为载体,设计一种基于状态观测器的自适应SSDV半主动控制方法对其进行振动控制研究,取得了较好的控制效果,状态观测器观测值误差在1%之内,一阶振动幅值减少了75.24%。这为航天器上柔性化和低刚度的悬臂结构件的振动控制提供一种有效可行的参考方法。

变截面压电悬臂梁能量采集器在高斯白噪声激励下的稳态统计特性研究

环境振动是一种非周期、随机的宽频激励,研究振动能量采集器在环境振动下的能量采集特性具有重要意义。本文采用改进随机平均法,求解了变截面压电梁在高斯白噪声激励下的等效振幅、位移、速度的稳态概率密度函数,位移与速度的联合概率密度函数以及稳态均方输出电压,随后研究了变截面压电梁的能量采集效能。结果表明:负载电阻一定时,截面系数β>0时的变截面压电梁相比β=0时的等截面压电梁有更好的稳态均方输出电压;截面系数β>0时,随着电阻电容乘积的倒数的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐减小的趋势,当电阻电容乘积的倒数值一定时,β值越大,均方电压也越高;随着噪声强度的增加,变截面压电梁的均方电压均呈现逐渐增大的趋势,当噪声强度一定时,β值越大,均方电压也越高。本文研究结果可为变截面压电悬臂梁能量采集系统的设计及应用提供理论依据。

基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法

微悬臂梁刚度的标定在工业和学术研究中有重要的意义。传统微悬臂梁标定方法存在粘附摩擦、接触磨损等缺点。为了有效解决传统刚度标定中接触摩擦的难题,本文提出一种基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法。该方法将静电力作为标准载荷施加于微悬臂梁末端,基于胡克定律计算微悬臂梁刚度。对平行极板结构进行了数值模拟,结果显示微悬臂梁与参考极板的相对位置存在较小的偏差时,静电力偏差小于5%。静电力标定实验结果显示微悬臂梁刚度为0.344 N/m,相对测量不确定度为1.86%。该方法适用于微悬臂梁的刚度标定,对微纳力值研究领域具有重大意义。

间隙约束悬臂梁系统的不连续分岔

间隙约束悬臂梁广泛应用在机械和工程设计中,其动态力学特性的优劣直接反映主机运行品质的高低,是决定主机能否安全和高效运行的关键因素.从多参数角度研究悬臂梁碰撞系统的动力学可实现系统的动态特性与功能目标的优化设计.考虑间隙约束悬臂梁系统,构建由光滑流映射复合的全局Poincaré映射及其Jacobi矩阵.应用数值方法获得各类吸引子在两参数平面的存在区域,结合数值仿真、延拓打靶法和胞映射研究相邻对称型周期1吸引子经混合运动域的转迁特征及共存吸引子的形成机理,揭示不稳定吸引子在系统动力学演化过程中的重要作用,以及不同类型的激变、迟滞、鞍结型周期倍化分岔和亚临界叉式分岔等不连续分岔行为.结果表明,在含对称间隙弹性碰撞系统中,周期吸引子的不连续分岔呈现9种不同的类型.叉式分岔使多吸引子共存更加普遍.两个反对称的不稳定周期轨道可引起两个共存的混沌吸引子同时发生内部激变.叉式型擦边分岔和9种不连续分岔的定义将进一步丰富非光滑系统动力学.

基于CBAM-CNN和压电悬臂梁的温度解耦质量感知方法

悬臂梁结构广泛用于微小质量测量,而温度变化会引起测量结果漂移。传统测量方法需要在温度稳定的环境中进行,但实际应用中通常难以满足此要求,且温度漂移对测量的影响难以直接解耦。本文提出了一种基于数据驱动,CBAM-CNN和压电悬臂梁的自适应温度解耦质量感知方法。首先,搭建谐振式压电悬臂梁温控测量平台采集不同质量负载下的阻抗响应信号,设计自适应加权预处理方法以增强结构特征并突出有限样本中的关键信息;其次,设计基于混合领域注意力机制的CBAM-CNN网络来评估信号中多个谐振峰的相对关系,实现温度解耦和质量感知。实验结果表明,该方法在25℃至55℃的温度范围内的对0.1~1 g的质量感知准确率高达99.70%,无需进行温度补偿即可实现大跨度温度下的精确质量感知。

谐振式耦合悬臂梁力传感器设计与检测性能分析

谐振式力传感器的检测性能取决于谐振敏感元件的几何尺寸、结构形式和传感机制,目前,单纯依靠减小尺寸提高检测性能的方法已经处于瓶颈期。为了研究发展新型谐振式力传感器,协调非线性振动与谐振结构检测性能之间的矛盾,从而探索灵敏度更高的传感机制,提高其检测性能,提出了一种压电驱动的谐振式磁耦合悬臂梁力传感器。首先,对磁耦合悬臂梁的结构进行了设计和理论建模,通过理论分析了外界压力对磁耦合悬臂梁结构振动特性的影响,随着压力增大,磁耦合悬臂梁之间的距离减小,谐振频率增大。其次,实验验证了分岔跳跃动力学行为的优点,相比单根谐振梁共振时的最大振幅提高了2.8倍,然后研究了基于分岔跳跃特性和基于倍频响应的两种压力检测方案,分别利用分岔跳跃时的临界频率与模态耦合时高阶响应频率实现了压力检测,并对灵敏度和线性度进行了分析。实验结果表明,基于分岔跳跃特性的检测方案振幅变化明显,是基于倍频特性检测方案的5倍左右,易于检测,克服了非线性因素带来的不良影响;基于倍频响应的检测方案输出灵敏度高,是基于分岔跳跃检测方案的4倍左右,信噪比大,为设计不同检测原理的谐振式力传感器提供了一定的参考价值。

AFM-TM微悬臂梁系统混沌运动及控制算法分析

针对轻敲式原子力显微镜微(AFM-TM)悬臂梁系统的混沌运动会严重影响到AFM-TM的测量精度的问题,对该系统动力学特性及控制算法进行了分析。首先,通过数值仿真,综合利用Lyapunov指数、分岔图、Poincaré截面和相位图分析了外部激励幅值变化时AFM-TM微悬臂梁系统运动特性的演化;然后,提出将延时反馈控制和模糊自适应延时反馈,用于控制系统的混沌运动;最后,对两种控制算法进行了比较。研究结果表明,当无量纲外部激励幅值在[0.65,0.85]等取值区间内取值时,系统表现出明显的混沌运动特性;延时反馈控制和模糊自适应延时反馈控制均能有效的将系统的混沌运动拉回到周期轨道,但模糊自适应延时反馈更适用于AFM-TM被测样品变化的复杂情况。结果对AFM-TM微悬臂梁外部激励参数选择、非线性系统复杂动力学特性分析和混沌运动控制提供有意义的理论参考。

一类悬臂梁方程的可解性

用锥上不动点定理,研究一类悬臂梁方程{w″″(t)=λf(t,w(t)),t∈(0,1),w(0)=w′(0)=w″(1)=w(1)=0,其中λ为正参数,f∈C([0,1]×[0,∞),[0,∞)).在非线性项f满足超线性或者次线性增长条件的情形下给出其正解的存在性和多解性结果.

一类附加斜弹簧支撑的悬臂梁碰撞系统的全局动力学

本文研究了双侧非对称刚性约束下附加斜弹簧支撑的悬臂梁碰撞系统的次谐分岔和混沌的全局动力学。由于斜弹簧支撑结构的刚度项为超越函数,给解析研究系统混沌和次谐分岔造成很大的困难。本文近似拟合了该系统的刚度项,并对比分析了近似系统和原系统的同宿轨道及其内部的次谐轨道。将Melnikov方法发展应用于非光滑的碰撞悬臂梁系统,给出了发生同宿混沌和次谐分岔的阀值条件。利用光滑流形的特征乘子结合碰撞函数分析了碰撞次谐轨道的稳定性,并分析了次谐分岔与混沌的关系。基于阀值条件研究了阻尼、激励频率、激励幅值以及碰撞恢复系数对混沌和次谐分岔的影响,进一步验证了理论分析的正确性。