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     

超磁致伸缩换能器有限元动态模型的研究

超磁致伸缩材料是在磁场的作用下能产生巨大伸缩变形的一种新型功能材料,它的应用越来越受到研究人员的关注．将超磁致伸缩材料Terfenol-D应用于换能器中,将极大地提高换能器的性能指标．介绍了超磁致伸缩材料研制的换能器的结构,利用有限元方法建立了磁机械耦合动态模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,计算与仿真表明所建立的有限元动态模型在忽略涡流影响的条件下能够反映换能器的输入输出关系,此项研究对于超磁致伸缩换能器的控制及实验研究具有重要的指导意义。     

基于遗传算法的超磁致伸缩执行器优化

提出了超磁致伸缩执行器(GMA)优化设计模型,并应用多目标遗传算法对超磁致伸缩执行器进行优化设计.模型优化目标包括：减少执行器导磁回路磁阻使Terfenol D棒上磁场强度高;空心线圈产生的磁场强度高;Terfenol D棒上磁场均匀;线圈的效率系数大和线圈与Terfenol D棒间气隙小.优化变量包括：Terfenol D棒的尺寸、执行器导磁回路结构尺寸、导磁回路材料的磁导率和线圈结构.根据设计要求选取变量范围,利用非支配排序遗传算法(NSGA)在整个参数空间内搜索,得到执行器的主要参数,应用有限元软件ANSYS分析验证了该结构设计的合理性,并试制了执行器.     

超磁致伸缩双面薄膜的动态驱动模型

提出了一种悬臂梁结构磁致伸缩双面薄膜动态驱动模型.以磁致伸缩双面薄膜复合梁的等效形变为基础,将磁致伸缩驱动应力转换为外等效扰动力矩,依据受迫振动理论来研究磁致伸缩薄膜的动态特性.试验结果表明,修正后的模型可以描述双面磁致伸缩薄膜在同一驱动频率下的动态特性.     

超磁致伸缩致动器的数学模型和控制技术

采用超磁致伸缩材料Terfenol-D可以研制出推进力大、量程大、纳米级分辨率的超磁致伸缩致动器,在超精密加工、精密定位、机器人以及微型机电系统等领域有着广阔的应用前景.本文对超磁致伸缩材料的磁化机理、超磁致伸缩致动器的非线性模型、控制技术及精密位移控制系统作了较为详细的评述,并指出了超磁致伸缩致动器的模型与控制技术的发展趋势.     

超磁致伸缩驱动器工作温升抑制的有限元分析

超磁致伸缩驱动器在工作时,温度的升高对超磁致伸缩棒的输出特性有较大影响.在分析温升对GMA输出精度影响的基础上,针对大功率、长时间工作的使用场合,引入了有限元分析方法对GMA进行热分析.分别设计了两组GMA,其中一组具有强制水冷温控系统,另一组无温控制装置.通过热分析得到了两组GMA在电流为4 A时的温度场分布,从而可用于指导热设计.     

巨磁致伸缩材料的磁致伸缩模型与计算

应用在应力作用下的磁致伸缩系数与磁化强度的关系，建立了磁致伸缩的计算模型，结合器件的实际结构，采用有限元方法，计算了磁致伸缩棒在应力作用下的磁致伸缩，计算结果与实验值符合，分析表明，采用该模型得到的计算结果能够较准确地反映材料在工作状态下的磁致伸缩。     

磁致伸缩材料Terfenol-D非线性耦合有限元分析

为了研究巨磁致伸缩材料Terfenol-D的非线性耦合磁力特性及响应,提出一种增量显式有限元列式及其在通用有限元软件中的实现方法.该显式增量方法基于实验测得材料性质或非线性本构计算所得材料参数,通过分段插值函数描述磁致伸缩材料的材料参数随磁场和预应力的非线性变化关系,采用耦合方程的弱形式给出相应有限元列式及增量算法,并在通用有限元软件ABAQUS中执行数值算例.该方法通过显式插值避免大多数数值方法求解非线性方程组的迭代过程,只需要先进行稳定性验证来标定合适的增量步长即可保证结果的可靠性.数值分析结果表明,该方法具有较好的精度和稳定性,能够准确有效地模拟不同预应力水平和偏磁场强度下的磁致伸缩非线性耦合响应,同时能够反映预应力对最大磁致伸缩的影响,即“反转效应”.该方法对磁致伸缩器件的设计应用及力磁耦合非线性分析具有一定的理论和实际意义.     

超磁致伸缩驱动器设计方法的研究

在分析超磁致伸缩材料(GMM)工作特性、超磁致伸缩驱动器(GMA)基本结构与工作原理的基础上,给出了机电磁设计参数的确定准则和数学模型,提出了超磁致伸缩驱动器的一般设计理论与方法.在该方法指导下设计实现的超磁致伸缩驱动器最大输出位移达36 μm,定位精度为0.1 μm,性能达到设计要求.试验结果验证了该方法的可操作性和有效性.     

超磁致伸缩换能器等效动力学模型研究

对动态磁致伸缩过程进行分析，并建立了超磁致伸缩换能器的等效动力学模型。应用Green函数得到换能器的固有频率值。讨论了超磁致伸缩材料径向振动对其纵向振动的影响。与弹性杆纵振模型的比较表明，等效集中参数模型简便有效，为换能器参数选择提供了设计依据。     

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.     

颅脑撞击损伤的三维有限元模型

通过一系列有效的简化和假设,建立颅脑的三维有限元模型,研究运动着的颅脑撞到静止物上时脑内响应,即颅脑减速损伤.得到了脑区的应力云图,清晰地反应出脑组织内的应力波传播和扩散过程,验证了当头部受到减速撞击时,损伤不仅仅发生在受撞击的局部,且会在应力波的传播方向发生更为严重、更为广泛的对冲性损伤.结果与已有文献及临床医学相符.     

基于三维有限元分析的压电阻抗模型及其应用

为了校核高频电阻抗分析的现有结构理论和验证,基于高频电阻抗信号的结构损伤监测方法的有效性,提出可应用结构健康监测的精确压电阻抗有限元模型.考虑压电片-黏结层-主体结构三者的耦合作用和黏结层的影响,通过三维有限元谐响应分析方法,利用通用有限元软件ANSYS,建立由压电片-黏结层-主体结构组成的耦合系统的三维有限元模型,并进行了数值模拟和相应的实际模型试验.计算及研究结果表明：采用三维精细压电有限元模型,可精确地预测到电导纳谱中的共振模态,得到的结果与实验结果吻合,且能有效地校核高频电阻抗分析的现有结构理论;采用压电阻抗法能够很好地识别结构局部的细小损伤,通过合理布置压电片可以识别结构损伤的位置.     

涡流对断路器方形永磁机构特性的影响

由于高压断路器永磁机构工作时间短、动作速度快,工作时会在动静铁芯中产生涡流,为了分析其对机构特性的影响,采用耦合法对永磁机构的瞬态磁场进行分析,并研究了电压激励下的瞬态磁场,推导出考虑涡流影响的非线性瞬态磁场数学模型.运用有限元分析软件Ansoft对方形永磁机构进行仿真,分析涡流对其特性的影响,并对其损耗进行计算分析.分析结果表明,由于涡流的影响使永磁机构的动作时间增长,在永磁机构动作过程中,动铁芯的涡流损耗很大.     

Three-dimensional forward modeling for magnetotelluric sounding by finite element method

A finite element algorithm combined with divergence condition was presented for computing three-dimensional(3D) magnetotelluric forward modeling. The finite element equation of three-dimensional magnetotelluric forward modeling was derived from Maxwell’s equations using general variation principle. The divergence condition was added forcedly to the electric field boundary value problem, which made the solution correct. The system of equation of the finite element algorithm was a large sparse, banded, symmetric, ill-conditioned, non-Hermitian complex matrix equation, which can be solved using the Bi-CGSTAB method. In order to prove correctness of the three-dimensional magnetotelluric forward algorithm, the computed results and analytic results of one-dimensional geo-electrical model were compared. In addition, the three-dimensional magnetotelluric forward algorithm is given a further evaluation by computing COMMEMI model. The forward modeling results show that the algorithm is very efficient, and it has a lot of advantages, such as the high precision, the canonical process of solving problem, meeting the internal boundary condition automatically and adapting to all kinds of distribution of multi-substances. Foundation item: Project(60672042) supported by the National Natural Science Foundation of China     

Three-dimensional finite element analysis on effects of tunnel construction on nearby pile foundation

A three-dimensional finite element simulation was carried out to investigate the effects of tunnel construction on nearby pile foundation. The displacement controlled model (DCM) was used to simulate the tunneling-induced volume loss effects. The numerical model was verified based on the results of a centrifuge test and a set of parametric studies was implemented based on this model. There is good agreement between the trend of the results of the centrifuge test and the present model. The results of parametric studies show that the tunnelling-induced pile internal force and deformation depend mainly on the pile-tunnel distance, the pile length to tunnel depth ratio and the volume loss. Two different zones are separated by a 45° line projected from the tunnel springline. Within the zone of influence, the pile is subjected to tensile force and large settlement; whereas outside the zone of influence, dragload and small settlement are induced. It is also established that the impact of tunnelling on a pile group is substantially smaller as compared with a single pile in the same location with the rear pile in a group, demonstrating a positive pile group effect.     

砖砌体非线性有限元分析模型研究

主要论述了砖砌体非线性有限元模型、刚度矩阵、破坏准则、裂缝的模拟、砖砌体单元破坏后应力应变关系矩阵的处理，并提出相应的残余应力的释放方法。     

土体循环塑性模型的动力有限元分析

在简要介绍基于广义塑性力学的土体次加载面循环塑性模型与土体动力有限元分析原理与计算方法的基础上，将循环塑性模型的本构方程结合进土体的动力平衡方程中，用无条件稳定的隐式积分(Newmark)法求解动力方程，建立了基于循环塑性模型的土体有限元动力分析方法；编制了相应的弹塑性动力有限元程序，程序用FORTRAN语言编写，采用模块结构，可求解连续介质在平面应力、平面应变和轴对称情况下的动力反应问题；最后利用所编程序对水平自由场地的饱和沙层在基岩加速度作用下的动力响应问题进行计算分析。通过对孔隙水压力发展时程、加速度响应时程与剪应力响应时程等计算结果的分析比较，初步验证了模型与程序用于实际计算的可行性和可靠性。     

Three-dimensional finite element analysis on effects of tunnel construction on nearby pile foundation

A three-dimensional finite element simulation was carried out to investigate the effects of tunnel construction on nearby pile foundation.The displacement controlled model (DCM) was used to simulate the tunneling-induced volume loss effects.The numerical model was verified based on the results of a centrifuge test and a set of parametric studies was implemented based on this model.There is good agreement between the trend of the results of the centrifuge test and the present model.The results of parametric ...