超磁致伸缩泵动力学建模及性能表征

摘要

随着微流体器件及微机电系统（MEMS）技术的发展，以智能材料特别是超磁致伸缩材料（GMM）为驱动元件的微型泵的研究已经成为了国内外研究的热点，超磁致伸缩泵（GMP）因为其体积小、重量轻、流量精密可控的优越性能，完全能够满足现代工业对智能精密微泵的高要求。 本文基于超磁致伸缩材料的优良特性，较系统地进行了GMP的总体结构设计和仿真分析，从动力学建模、流阻特性分析、气泡影响机理研究等方面着手，为设计体积小型化、输出流量精密可控的新型智能微泵提供了一定的设计理论支持。基于超磁致伸缩材料的研究背景和GMP的研究现状，本文主要进行了以下的研究： （1）结合GMP的工作原理，提出了相应的设计要求，并对其进行总体结构设计，主要包括GMM棒的选型及尺寸计算，驱动线圈关键结构参数的设计，预压力系统和冷却系统设计，泵腔高度设计，悬臂梁阀片设计，密封结构设计等； （2）根据GMP的结构和工作机理，推导得到其动力学模型，通过MATLAB软件对所建模型作阶跃响应分析，得到GMP的输出流量与等效质量、等效刚度、等效阻尼和驱动频率之间的影响规律；随后建立的悬臂梁单向阀的动态模型，通过COMSOL软件进行悬臂梁单向阀的流固耦合特性分析，研究材料类型、厚度参数对阀片过流特性的影响。 （3）结合流体力学的三大基本方程，分析了GMP的流阻特性，计算GMP的沿程水头损失和局部水头损失，获得在粘性介质作用下，影响流体阻力大小的关键因子。然后通过COMSOL软件分析泵腔高度、进出口管位置及其大小、倒角形状等结构参数对泵腔内流体流速和压力的影响规律，提出了减小流阻的方法。 （4）从气泡的产生原因及气泡对流体等效体积模量的影响机理出发，分析了泵腔内气泡对泵输出流量、输出压力、工作频率以及悬臂梁阀片运动情况的影响过程，从抑制气泡产生和增加气泡通过性的两个方面，提出了减少腔内气泡的方法，为制作抗气泡能力强的GMP提供了参考依据。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 超磁致伸缩材料及其应用

1.3 超磁致伸缩泵的研究现状

1.4 研究意义和研究内容

第2章 超磁致伸缩泵的工作原理与结构设计

2.1 GMP结构及工作过程

2.2 GMP的结构设计

2.3 本章小结

第3章 超磁致伸缩泵动力学建模及阀片优化

3.1 超磁致伸缩泵动力学模型

3.2 GMP动态仿真分析

3.3 悬臂梁单向阀动态特性

3.4 本章小结

第4章 超磁致伸缩泵流阻特性分析

4.1 流体的粘性

4.2 一元流动基本方程

4.3 沿程水头损失

4.4 局部水头损失

4.5 关键部位流场仿真分析

4.6 本章小结

第5章 气泡对超超致伸缩泵性能的影响

5.1 气泡的影响机理

5.2 气泡对GMP输出特性的影响

5.3 气泡对泵工作频率的影响

5.4 气泡对悬臂梁阀片运动的影响

5.5 减少腔内气泡的方法

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文情况