超磁致伸缩换能器的谐振频率计算与结构设计

摘要

稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)在材料特性上具有较大的应变量、抗压力大、可靠性高等十分巨大的优点，因此它在水声声纳，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、机器人等众多领域均有广泛的应用。本文从计算超磁致伸缩换能器的谐振频率、超磁致伸缩换能器的结构优化设计与磁-机械仿真分析三方面入手，通过实验研究验证了理论和有限元仿真的正确性，对换能器进行了深入的研究分析。
　　本课题首先介绍了磁致伸缩现象及机理，综述超磁致伸缩材料的主要特性、发展历史与研究现状，介绍了国内外超磁致伸缩换能器研究概况及存在的问题，在此基础上陈述了本课题的选题意义并给出了研究内容。
　　其次，系统的阐述了换能器的工作原理以及设计方法。依据Terfenol-D棒的工作特性，用等效电路法和动力学法对超磁致伸缩换能器做了谐振频率的理论计算，进行了电路的阻抗匹配和串并联调谐，结合指标要求对超磁致伸缩换能器进行了初步的结构设计，其中包括Terfenol-D棒的设计、激励线圈的设计、碟簧与预应力的设计、偏置磁场的设计、前后盖板和输出杆的设计及磁轭设计。
　　继而，利用有限元分析软件对超磁致伸缩换能器的磁路部分和结构部分分别进行了有限元分析，对Terfenol-D棒和换能器的谐振频率进行了理论上的验证，提取了5阶模态，并仿真了振动形态图。对换能器的激励线圈、永磁结构、输出杆和前后盖板进行了优化设计，确定了优化后的最终结构。
　　最后，制作了换能器的样机，搭建了实验测试系统，对超磁致伸缩换能器的线圈阻抗提供了实验依据，其次分别对换能器做了静态特性实验和动态特性实验进行了实验研究，通过实验数据验证了优化的可行性。总结本课题所得结论并且对今后的工作做出了下一步的展望。

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第一章 绪 论

§1.1课题的研究背景及意义

§1.2 超磁致伸缩材料简介及研究应用现状

§1.3 课题的主要研究内容

第二章 超磁致伸缩换能器的谐振频率计算

§2.1超磁致伸缩换能器的基本工作特性

§2.2 超磁致伸缩换能器的谐振频率计算

§2.3 计算结果与分析

§2.4 本章小结

第三章 超磁致伸缩换能器的结构设计及其仿真研究

§3.1超磁致伸缩换能器的结构设计

§3.2有限元分析方法及步骤

§3.3超磁致伸缩换能器的有限元分析

§3.4 本章小结

第四章 超磁致伸缩换能器的制作与实验研究

§4.1线圈阻抗的实验研究及优化设计

§4.2换能器的静态特性实验分析

§4.3换能器的动态特性实验分析

§4.4本章小结

第五章 总结与展望

§5.1 工作总结

§5.2 改正意见及工作展望

参考文献

致谢