超磁致伸缩执行器的三维非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器工作时超磁致伸缩材料的磁导率会随着应力变化而变化,并存在磁滞损失和涡流损失等非线性问题,同时磁场、电场、温度场及机械应力场之间存在耦合.建立了超磁致伸缩执行器电场、磁场和机械应力场3场耦合的三维非线性动态有限元模型,考虑了超磁致伸缩执行器Terfenol D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失.使用Jile-Autherton磁化模型计算磁滞损失,在商业有限元软件FEMLAB中实现了有限元模型.模型仿真结果和实验结果相一致,验证了所建立模型的正确性.     

超磁致伸缩换能器磁路设计及优化

为优化超磁致伸缩换能器的电磁性能,研究了线圈的几何尺寸和磁路元件的选择对换能器磁场特性和输出位移的影响,并进行了磁路损耗和气隙磁导分析.给出了合理的线圈结构参数,提出了在超磁致伸缩材料(GMM)棒两端安装高磁导率的软磁体和减少GMM棒涡流损耗的设计方案,并忽略了气隙的影响.采用有限元方法仿真了不同磁路设计方案对换能器性能的影响,并进行了试验分析.结果表明,在GMM棒两端安装电工软铁能够提高工作磁场强度,减少磁通泄漏,增加换能器输出位移并降低驱动电流,改善换能器的发热情况,从而整体改善超磁致伸缩换能器的性能     

微型超磁致伸缩高速阀致动器的优化设计

通过优化设计驱动线圈和Terfenol-D的形状尺寸,改善以超磁致伸缩材料Terfenol-D为主动材料的高速开关阀的性能.选择合适的漆包线线径以降低线圈电阻;优化线圈形状函数以提高线圈的磁场生成能力;改善Terfenol-D的尺寸来降低磁通路径的磁阻,减小涡流损耗,提高致动器的磁场利用率;兼顾提高致动器的能量转换效率,提出优化设计超磁致伸缩致动器的规律.两个致动器的实验对比验证了该设计方法的可行性.     

超磁致伸缩执行器自感知机理研究

为了能有效地减小微器件的体积并实现同位控制，提出了超磁致伸缩执行器同时作为执行器和传感器的自感知工作原理. 分析了超磁致伸缩执行器作为双向换能器的自感知物理基础，以此建立了执行器和传感器的能量耦合模型. 根据磁致伸缩材料的压磁方程，并结合励磁线圈的截面积、匝数及磁致伸缩棒的截面积、长度、弹性模量、压磁系数等，推导了感知力和感知速度的计算方法. 提出了利用桥路法在强驱动信号的背景下提取感知信号的方法，在研制的执行器自感知实验系统上，验证了力感知和速度感知方法的有效性     

超磁致伸缩作动器磁路优化设计

为改善磁路环境,提高超磁致伸缩材料(GMM)的工作性能,在分析超磁致伸缩作动器(GMA)工作原理及GMM特性的基础上提出以减小磁漏、增大磁场强度和提高磁场强度均匀性为设计原则,将GMM棒中轴线上的磁场强度作为评价标准.基于ansoft maxwell对磁路进行电磁学有限元分析,得出磁路中的关键部件导磁端盖和导磁片的结构参数对磁场强度大小和均匀性的影响规律,结合高斯磁通理论分析产生这种现象的原因,在此基础上对结构参数进行设计优化.实验结果显示结构参数优化后GMM棒中轴线上的最大磁场强由55.4 k A/m增大到70.35 k A/m,增幅为26.98%,磁场均匀率由44.22%增大到99.5%.研究表明:导磁端盖主要用来减小磁漏、提高磁场强度且过大或过小的直径和厚度都将会导致漏磁增多,U型导磁片主要用来改善磁路环境、提高磁场强度的均匀性.     

基于正交建模的空间柔顺构件多目标优化

为满足超磁致伸缩材料精密加工异形孔的刚性、稳定性等要求,根据材料驱动特性对空间柔顺构件多个性能参数(驱动刚度、抗扭转刚度和一阶固有频率)进行优化设计,给出一种基于正交仿真试验和遗传算法的多目标优化方法.该方法通过主结构离散参数值的正交排列组合和有限元仿真获得两者的映射试验表,再采用回归拟合的方法建立各性能参数与主要结构参数的优化模型,经多目标遗传算法获得一组最优解,使柔顺构件弯曲变形量、扭转变形量、一阶固有频率分别为51.6um、3.3um、849.7 Hz,满足超磁致伸缩驱动特性和异形孔精密加工的要求.     

大跨空间结构动力响应模糊控制

针对大跨空间结构动力灾变主动控制问题,设计了一种超磁致伸缩作动器.介绍了主动控制系统的工作原理,并建立了受控系统的空间状态方程,采用遗传算法对大跨空间结构主动控制作动器的布置位置进行了优化设计.分析了模糊控制系统的基本结构及模糊控制器的制作原理和方法,并设计了标准模糊控制器.应用MATLAB软件对大跨空间网架结构振动进行了模糊控制分析,结果表明,超磁致伸缩作动器具有良好的作动效应,利用遗传算法有效地提高了主动控制优化设计效率,同时实现了对结构的整体优化,模糊控制能够有效地降低大跨空间结构的振动反应,是一种较好的结构振动控制方法.     

超磁致伸缩驱动微夹钳研究

为了克服现有微夹钳夹持力和夹持范围不足的问题,以超磁致伸缩材料（GMM）为驱动源提出了一种新型的微夹钳.利用GMM棒在磁场变化时发生伸缩形变提供驱动力,并采用柔性铰链和杠杆机构对输出位移量进行放大,分析并优化磁回路以减小损耗.对超磁致伸缩驱动微夹钳进行了性能测试,结果表明所提出的微夹钳具有夹持范围大、响应速度快、夹持力易控制的优点.     

基于超磁致伸缩材料的活塞异形销孔加工原理研究

利用超磁致伸缩材料的特性控制刀杆弯曲变形,提出了一种加工活塞异形销孔的新方法.通过理论分析导出了线圈控制电流与超磁致伸缩刀杆变形量之间关系的数学模型.在此基础上,进行了超磁致伸缩刀杆变形性能试验,获得了镗刀切削半径增量与线圈控制电流之间的关系曲线,验证了超磁致伸缩刀杆的可控性和稳定性.然后研制了活塞异形销孔加工控制系统,包括主控、位移检测、热变形补偿温度检测和恒流源驱动等功能模块.基于此原理开发的活塞异形销孔设备达到微米级加工精度.     

新型开放式超导MRI主磁体结构优化设计

针对超导磁共振成像（MRI）装置对磁体结构开放性的设计要求,提出了一种开放式超导MRI磁体结构.为了实现高磁场强度、高磁场均匀度以及低成本等设计目标,对设计的磁体结构进行了多目标优化.运用正交试验（OD）法确定影响磁体性能指标的关键设计变量,在此基础上,提出一种结合表面响应法和遗传算法的自适应优化策略,找出全局最优解,完成了主磁体结构的优化设计.实验结果表明,设计的超导型MRI主磁体不仅提供了一定的开放成像空间,同时也满足成像区磁场强度及均匀度等方面的设计要求.