超磁致伸缩智能构件热特性分析及温度控制装置研究

摘要

超磁致伸缩智能构件是一种基于超磁致伸缩智能材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)的新型电-磁-机换能装置，以其高定位精度、高频率响应、大输出位移等特点，广泛应用于声纳换能、主动振动控制、超精密加工等微驱动领域。
　　然而，GMM智能构件在工作过程中，线圈会产生大量焦耳热，加之GMM在交变磁场作用下产生的涡流损耗和磁滞损耗，这些热量如不能及时散发掉，会导致GMM温度升高，进而导致材料热膨胀和磁致伸缩系数不稳定，最终影响智能构件的输出精度。
　　针对上述问题，本文先通过文献调研，对超磁致伸缩材料的特性及应用研究现状进行了综述，对国内外智能构件温控方法进行了总结:随后对课题组所设计的智能构件本体进行了研究，分析了其热特性及温控需求，建立了多种热源的计算模型。然后，设计了三种具有不同水腔结构（环形、螺旋形、折流式）的相变水冷温控装置，建立了这三种温控结构的有限元模型，并进行温度场仿真分析。在完成三种不同水腔结构的温控装置的设计加工后，搭建了温控实验平台，并针对不同温控结构和控制策略，进行了多组对比实验。实验结果表明，折流式水腔结构强化了对流化热，提高了温控精度，所设计的具有折流式水腔结构的相变水冷温控装置具有较高的控制精度，达到了温控系统的设计要求。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 超磁致伸缩材料的特性及应用研究现状

1．2．1 超磁致伸缩材料的特性

1．2．2 超磁致伸缩材料的应用研究现状

1．3 智能构件热控制方法研究现状

1．3．1 半导体温控法

1．3．2 强迫通风冷却法

1．3．3 强制水冷温控法

1．3．4 直接液体冷却法

1．3．5 相变水冷温控法

1．4 论文的主要研究内容和结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文结构

第2章 超磁致伸缩智能构件热特性分析

2．1 智能构件的结构及工作原理

2．2 智能构件输出特性的热影响分析

2．3 智能构件热源分析与计算

2．3．1 欧姆损耗

2．3．2 磁滞损耗

2．3．3 切削热

2．4 涡流损耗及其抑制方法研究

2．4．1 半圆柱块GMM涡流损耗计算模型

2．4．2 切片粘合结构的GMM涡流损耗计算模型

2．4．3 三维涡流场的有限元仿真分析

2．4．4 涡流损耗计算结果与仿真结果的比较及误差分析

2．5 本章小结

第3章 智能构件相变水冷温控结构设计

3．1 温控方案的选择及总体结构设计

3．1．1 温控方案的选择

3．1．2 温控结构的总体设计

3．2 相交材料腔体设计

3．2．1 相变材料的选择

3．2．2 相变腔体设计

3．3 环形水腔设计

3．3．1 环形水腔结构及基本尺寸

3．3．2 环形水腔强化传热综合评价准则关系式

3．4 螺旋形水腔设计

3．4．1 螺旋形水腔结构及基本尺寸

3．4．2 螺旋形水腔强化传热综合评价准则关系式

3．5 折流式水腔设计

3．5．1 场协同理论

3．5．2 基于场协同理论提出的折流式水腔结构

3．6 本章小结

第4章 智能构件温度场的有限元仿真与温控结构方案比较

4．1 Solidworks Flow Simulation简介

4．2 智能构件传热理论模型

4．3 仿真参数设置

4．3．1 材料属性设置

4．3．2 求解区域设置

4．3．3 热源设置

4．3．4 初始条件与边界条件设置

4．4 仿真结果

4．4．1 环形水腔结构(方案A)仿真结果

4．4．2 螺旋形水腔结构(方案B)仿真结果

4．4．3 折流式水腔结构(方案C)仿真结果

4．5 仿真结果比较

4．6 冷却水流量的确定

4．7 本章小结

第5章 智能构件温控实验研究

5．1 实验平台的搭建

5．1．1 温控实验平台的总体设计

5．1．2 智能构件温控装置的设计与安装

5．1．3 冷却水循环系统的建立

5．1．4 温控实验平台硬件设计

5．2 PID控制算法研究

5．2．1 抗积分饱和的PID控制

5．2．2 全闭环温控与半闭环温控

5．2．3 PID控制器参数整定

5．3 相交材料相变温度测试实验

5．4 温控实验对比与分析

5．4．1 不同水腔结构的智能构件温控实验对比

5．4．2 水冷温控与相变水冷温控实验对比

5．4．3 半闭环温控与全闭环温控实验对比

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

附录