基于超磁致伸缩致动器的流量控制阀的设计与研究

摘要

生物基因工程、新型药物研制和航空航天等技术的发展，提高了人们对各种微成分的用量精确控制的要求，传统的流量控制技术已逐渐不能满足需要，从而促进了对微流体控制技术的研究并因此取得了大量的研究成果。利用智能材料，各种流体控制器件被开发出来，其中，超磁致伸缩材料(GMM)具有应变大、精度高、响应快等特点，在应用方面有一定的优势。论文以本实验室开发的超磁致驱动器(GMA)实验平台为基础，在流量阀的结构设计、性能分析、建模与控制等方面展开了理论和实验研究，为超磁致精密流量阀的进一步开发和研究提供基础。
　　 论文以流量阀的产生和发展为背景，总结了各种智能材料在流量调节领域的应用现状，包括智能凝胶、磁流变液、压电材料和超磁致伸缩材料；着重阐述了超磁致流量阀的应用基础，研究现状和课题来源，为后面基于GMA的流量阀设计，仿真和实验提供必要基础。
　　 流量阀的开发设计包括驱动方式设计，密封设计和总体结构设计等。目前的研究集中在伺服阀和直动式开关阀，论文根据实际需要，将GMA与阀芯结合，提出了反向驱动的流量调节方式，以此为基础，设计了密封方案，球阀结构和整体连接方案，加工了实物，实验表明，该阀密封和调节性能良好，响应快，满足实验要求。
　　 微位移放大机构是GMA与流量阀连接的核心部件，论文研究了柔性铰链的性能特性，推导了其刚度计算公式，设计了具有较大反向位移输出的微位移机构。借助有限元分析方法，研究了其静力学特性。分析和实验表明，该机构有一定的反向放大效果，可以用于流量调节。基于对柔性铰链的理解，设计并加工了不同形式的微夹钳，拓宽了GMA的应用领域。
　　 通过理论分析，建立了阀的流量模型，并进行了数值模拟，比较了理论曲线和仿真曲线，得到了相关结论。针对存在的问题，进行了GMA输出实验，微位移放大机构实验和流量实验，初步探讨了BP神经网络的预测控制，验证了流量的微调节效果。