超磁致伸缩材料驱动器实验研究

介绍采用国产超磁致伸缩材料研制的新型驱动器的结构、工作原理、理论分析及静、动态特性实验结果。实验表明，该驱动器具有较大的静态位移、力输出和满意的动态特性，频宽可达１５００Ｈｚ。

偏置磁场对超磁致伸缩致动器输出特性的影响分析

采用Terfenol-D棒作为超磁致伸缩致动器GMA(Giant Magnetostrictive Actuator)的主要材料,研制了有偏置磁场和无偏置磁场两种超磁致伸缩致动器,分析了具有分段式永磁偏置和无偏置致动器的结构及性能。基于安培定律、磁路基尔霍夫定律、叠加原理对致动器的磁场进行理论分析。为进一步分析磁场分布,创建三维模型,利用有限元仿真软件对GMA内部磁场进行分析和比较,仿真结果表明:分段式永磁偏置结构致动器能够达到理想的偏置要求,无磁场偏置的致动器在电流作用下磁场分布更均匀。实验结果表明:超磁致伸缩致动器输出位移和力的大小分别与Terfenol-D棒长度、直径呈正相关,施加偏置磁场能够改善超磁致伸缩致动器的动静态输出特性,提高致动器静态输出位移和力的线性度,消除动态输出位移与输出力的倍频现象,提高其输出精度。

超磁致伸缩换能器的声辐射特性

对超磁致伸缩大功率换能器的声辐射振动特性进行了理论分析与实验研究,将在一定预压应力下处于阶跃段的磁致伸缩棒简化为磁场强度与磁致伸缩应变的单输入单输出的线性系统·以静态试验数据为基础,建立等效的动态磁致伸缩模型·对指数形变幅杆的设计进行了理论分析和讨论,着重计算与设计了相关的振速分布、应力分布、振幅放大系数及节面位置等参数,测试中发现超磁致伸缩换能器频率范围较宽·试验得到了影响换能器发射声波主频率和最大振幅的若干参数·提高换能器的电声转换效率,增大换能器的发射功率的有效途径是选择合理辐射面质量和配重质量之间的比值,使能量流向辐射面一侧·所得结果可以为进一步优化超磁致伸缩换能器提供设计参考·

超磁致伸缩材料动态磁滞特性理论分析

在考虑超磁致伸缩材料(GMM)内部磁场强度分布状况的基础上,结合动态J-A模型分析了GMM棒动态磁滞特性。通过与实验数据的比较,考虑磁场内部分布时的J-A模型能够较好地描述不同频率下GMM棒的动态磁滞特性,验证了该处理的有效性。利用该模型对GMM棒动态磁滞特性做出预测,结果表明高频驱动下应综合考虑内部磁场分布情况、涡流损耗和异常损耗。结合该模型和Z-L模型对GMM棒的动态输出特性做出预测,结果表明随着频率的增大,GMM棒的平均应变逐渐减小,滞环宽度逐渐增加,预测结果对GMM器件的设计和控制提供了参考。

基于GMM的电液伺服阀转换器的研究

GMM是一种重要的功能材料,现已广泛应用于航空航天、精密制造以及液压伺服控制系统。根据GMM的特性,介绍了应用于液压伺服阀控制系统的超磁致伸缩转换器的设计,建立了超磁致伸缩转换器的静态模型和动态模型,对其数学模型进行了分析。并利用MATLAB软件中SIMULINK模块建立其仿真模型进行仿真分析。

超磁致伸缩换能器等效动力学模型研究

对动态磁致伸缩过程进行分析,并建立了超磁致伸缩换能器的等效动力学模型。应用Green函数得到换能器的固有频率值。讨论了超磁致伸缩材料径向振动对其纵向振动的影响。与弹性杆纵振模型的比较表明,等效集中参数模型简便有效,为换能器参数选择提供了设计依据。

Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度。分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性。实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T。

超磁致伸缩电静液作动器的试验研究与特性分析

超磁致伸缩材料驱动的电静液作动器具有结构高度集成、性能影响因素多以及理论分析复杂等特点,为寻求超磁致伸缩电静液作动器可靠的理论分析方法以提高其输出性能,首先搭建了超磁致伸缩执行器与作动器试验测试平台,完成了执行器与作动器动态特性对比试验,在准确测试与观察试验现象的基础上,对超磁致伸缩电静液作动器进行结构分解,以各环节固有频率为理论分析切入点,采用试验、理论与有限元分析相结合的方法,分析了悬臂梁阀片、管路、液压缸以及蓄能器等动态特性对作动器输出性能的影响规律,总结出符合试验结果的理论分析方法并确定了影响与制约作动器输出性能的关键环节,最后提出了超磁致伸缩电静液作动器优化改进方案,优化后作动器试验结果显示:在200 Hz左右、0.6 MPa的偏压作用下,选取0.15mm厚度的阀片,作动器的输出性能达到最佳,其输出流量最大可达1.2L/min。