超磁致伸缩微致动器若干基础理论及实验研究

摘要

以Terfeno1-D为代表的稀土超磁致伸缩材料是一种新功能高效磁（电）-机械（声）转换材料，以这种材料为驱动源的执行器由于具有大应变、大承载、高精度、快速响应和高可靠性等传统技术无法比拟的优点，一经发现立刻引起高技术、高精度领域的重视，在军民两用高科技领域具有巨大的应用前景。但超磁致伸缩微致动器在实际应用中存在非线性、滞回、涡流等问题，涉及到非线性振动、电磁学、控制学等众多学科的交叉，致使对超磁致伸缩微致动器的理论深入研究困难很大，也严重影响了微致动器的广泛应用。
　　目前，国内外学者对超磁致伸缩材料特性及其磁化机理进行了大量的研究，取得了一定的成果。对于超磁致伸缩微致动器的非线性磁滞回特性、耦合磁弹性特性及内部磁场分布也有一定的研究，但存在对于某些因素的考虑不足，与实际工况结合较少等问题，而关于微致动器颤振问题的研究则更为罕见。因此，本文针对超磁致伸缩材料滞回特性、非线性特性、超磁致伸缩微致动器理论建模、非圆加工过程中的车削颤振及控制等问题进行了研究。为超磁致伸缩微致动器在理论模型的建立、车削加工领域的应用及控制方面奠定了基础。主要内容如下:
　　1利用沈阳贝特数控机械有限公司提供的超磁致伸缩致动器，对其进行了动静态实验测量。建立了超磁致伸缩材料内部磁场—输入电流—磁致伸缩棒轴向位置三者之间的关系函数;对动态实验数据进行了时域和频域的分析，研究了微致动器输出随时间、频率的变化规律，并讨论了输入电流与输出位移间的关系。
　　2基于实验得到磁场—电流—磁致伸缩棒轴向位置三者之间的关系函数，修正了现有的厚壁线圈轴向电流—磁场理论公式，确定了修正系数，并利用修正公式，对用于非圆切削加工的超磁致伸缩微致动器理论模型进行了理论分析，得到了解析解。通过数值模拟，对系统响应进行了分析，并对相关参数进行了讨论。
　　3考虑到磁致伸缩棒的磁场分布不仅与激励电流有关，还与棒的轴向位置有关，建立了用于非圆切削加工的综合考虑预压力、偏置磁场和材料特性参数的超磁致伸缩微致动器耦合磁弹性理论模型，应用复偏微分求解方法导出了该模型的解析解表达式，并通过数值模拟，分析了不同磁弹性参数对微致动器动力学特性的影响。
　　4在对超磁致伸缩材料内部磁场分析的基础上，结合超磁致伸缩材料压磁方程，利用Maxwell's方程建立了考虑介电常数、预压应力等参数的内部磁场分布模型，通过数值模拟分析讨论了介电常数、预压应力、激励频率等参数对材料内部磁场分布以及滞回特性的影响;建立了综合考虑轴向、径向的三维磁场分布模型，并进行了相应的分析比较。
　　5以考虑温度影响及△E效应的超磁致伸缩材料的本构关系为基础，建立了超磁致伸缩车削加工动力学模型，对其振动响应及参数影响进行了分析，并与不考虑△E效应的情况下的振动响应进行了对比;同时，引入动态的温度关系，研究了动态温度对系统响应的影响，并应用模糊PID方法进行了控制。
　　6综合考虑由于再生型颤振对工件及超磁致伸缩微致动器的共同影响，建立了超磁致伸缩微致动器与车削刀具及工件组成的动力学模型，并对其稳定性进行了研究，根据霍尔维茨判据，分析了车削宽度、工件等效刚度及质量对系统稳定性的影响，并应用简单自适应控制方法对颤振进行了控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．1．1 超磁致伸缩材料的历史发展

1．1．2 超磁致伸缩材料的性能及特性

1．1．3 超磁致伸缩材料的应用

1．2 研究现状

1．2．1 超磁致伸缩微致动器数学模型的研究现状

1．2．2 超磁致伸缩材料内部磁场研究现状

1．2．3 超磁致伸缩材料本构关系模型的研究现状

1．3 选题意义和主要内容

1．3．1 选题意义

1．3．2 本文的主要内容

第2章 超磁致伸缩微致动器实验分析

2．1 实验原理

2．1．1 GMM的工作原理

2．1．2 轴对称结构内部磁场分析

2．2 实验设备

2．2．1 超磁致伸缩非圆截面车削加工刀架

2．2．2 刀架结构分析

2．3 实验结果

2．3．1 预压应力对磁致伸缩值的影响

2．3．2 激励电流、磁场强度与材料轴向位置之间的关系

2．3．3 时域分析

2．3．4 频域分析

2．3．5 电流与位移关系

2．4 结论

第3章 超磁致伸缩微致动器动力学特性分析

3．1 超磁致伸缩微致动器动力学模型

3．2 超磁致伸缩微致动器磁场与激励电流关系分析

3．3 微致动器的动力学分析

3．3．1 系统的时域及滞回特性分析

3．3．2 参数对系统运动特性的影响

3．3．3 公式修正

3．3．4 解析解分析

3．3．5 解析解数值模拟及参数讨论

3．4 结论

第4章 超磁致伸缩微致动器耦合磁弹性模型特性分析

4．1 超磁致伸缩微致动器耦合磁弹性模型的建立

4．2 模型振动特性的理论分析

4．2．1 理论解计算

4．2．2 无负载情况

4．3 结果仿真

4．3．1 微致动器的时域与频域分析

4．3．2 微致动器输出位移的滞回特性

4．3．3 偏置磁场对微致动器系统的影响

4．4 微致动器的数值计算

4．4．1 差分方法简介

4．4．2 差分求解

4．4．3 结论分析

4．5 解析解与数值解结论比较

4．6 结论

第5章 超磁致伸缩材料内部磁场模型特性分析

5．1 超磁致伸缩材料内部磁场分布

5．1．1 Maxwell’s方程

5．1．2 材料内部磁场分布微分方程

5．2 内部磁场分布理论计算

5．3 数值模拟

5．3．1 内部磁场分布

5．3．2 参数影响

5．4 三维磁场分布

5．4．1 模型建立及求解

5．4．2 数值仿真

5．5 结论

第6章 超磁致伸缩微致动器振动响应的温度影响

6．1 温度影响实验

6．2 考虑温度及材料弹性模量变化时的动力学模型分析

6．2．1 模型建立

6．2．2 数值模拟

6．2．3 参数影响

6．3 不考虑弹性模量变化影响

6．3．1 模型建立

6．3．2 数值模拟

6．3．3 与考虑弹性模量变化情况的比较

6．4 温度动态变化影响分析

6．4．1 无冷却循环时的稳态热分析

6．4．2 GMM棒的温升与时间关系分析

6．4．3 考虑动态温度影响超磁致伸缩微致动器动力学模型

6．5 微致动器位移模糊PID控制器的设计

6．5．1 PID控制器

6．5．2 模糊PID控制器

6．5．3 仿真研究

6．6 结论

第7章 超磁致伸缩微致动器颤振问题的稳定性及控制

7．1 模型建立

7．1．1 切削颤振

7．1．2 超磁致伸缩微致动器颤振系统动力学模型

7．2 稳定性分析

7．2．1 第一次近似稳定性定理

7．2．2 特征方程计算

7．3 数值分析

7．4 刚性刀架情况

7．5 颤振系统的控制

7．5．1 自适应反馈控制

7．5．2 超磁致伸缩致动器颤振系统的控制

7．5．3 数值仿真

7．6 结论

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读博士学位期间发表的论文和科研情况