超磁致伸縮執(zhí)行器磁機(jī)耦合模型及自感知應(yīng)用研究.pdf

1、超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡稱GMM）是一種可實(shí)現(xiàn)磁－機(jī)械雙向可逆能量轉(zhuǎn)換的智能材料，且材料應(yīng)用中同時兼具執(zhí)行和傳感功能；基于超磁致伸縮材料的執(zhí)行器（Giant Magnetostrictive Actuator，簡稱GMA）具有快速響應(yīng)、大行程量、負(fù)載能力強(qiáng)、高可靠性等特點(diǎn)，在精密驅(qū)動、流量控制、閥門結(jié)構(gòu)、主動減振、換能器等高新技術(shù)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。本文以超磁致伸縮執(zhí)行器為研

2、究對象，針對超磁致伸縮材料內(nèi)的磁疇角度偏轉(zhuǎn)、磁化和磁彈性等磁機(jī)耦合關(guān)系以及執(zhí)行器中有效磁場的優(yōu)化、感知開展研究，建立了適用于超磁致伸縮執(zhí)行器自感知應(yīng)用的材料感知和執(zhí)行器應(yīng)用理論。研制了超磁致伸縮執(zhí)行器，并搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，實(shí)驗(yàn)測評了執(zhí)行器的應(yīng)用特性，且對執(zhí)行器的自感知應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果有利于完善超磁致伸縮材料磁機(jī)耦合及磁彈性效應(yīng)的本構(gòu)模型，研究內(nèi)容對執(zhí)行器的自感知應(yīng)用拓展具有理論指導(dǎo)意義。
　　針對超磁致伸縮材料本構(gòu)模型中的“

3、磁問題”展開研究。基于自由能極小原理及磁疇偏轉(zhuǎn)理論，采用坐標(biāo)變換和圖解法相結(jié)合，研究了超磁致伸縮材料在不同載荷作用下的磁疇偏轉(zhuǎn)、躍遷特性，建立了簡化的適用于材料磁感知應(yīng)用的磁疇偏轉(zhuǎn)數(shù)值方法，直觀解釋了GMM材料在不同載荷作用下的磁致伸縮機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，研究了磁疇偏轉(zhuǎn)數(shù)值方法對材料本構(gòu)參數(shù)的參數(shù)依賴性。研究結(jié)果表明：預(yù)壓應(yīng)力有利于壓磁效應(yīng)中90°疇的積累，但不利于磁彈性效應(yīng)中磁疇的偏轉(zhuǎn)和磁化的進(jìn)行；[110]取向晶體中磁疇的偏轉(zhuǎn)均可簡化

4、為平面內(nèi)的磁疇旋轉(zhuǎn)，磁疇的躍遷效應(yīng)為磁疇角度所處平面間的躍遷變化，其中35.3°方向磁疇在壓磁和磁彈性效應(yīng)中的偏轉(zhuǎn)及躍遷是材料具有大磁致伸縮效應(yīng)的關(guān)鍵；各項(xiàng)異性常數(shù) K1和K2的不同取值將影響材料磁疇偏轉(zhuǎn)特性和磁疇角度躍遷的臨界載荷值，且材料磁疇偏轉(zhuǎn)數(shù)值方法對磁晶各向異性常數(shù)和能量分布因子等具有明顯的參數(shù)依賴性。
　　在磁疇偏轉(zhuǎn)數(shù)值方法的基礎(chǔ)上，研究了超磁致伸縮材料磁機(jī)能量耦合中的磁彈性效應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)測試完成超磁致伸縮材料磁疇偏轉(zhuǎn)

5、數(shù)值方法的本構(gòu)參數(shù)辨識，完善了材料的磁疇偏轉(zhuǎn)模型；在此基礎(chǔ)上，研究載荷作用下磁疇偏轉(zhuǎn)的磁機(jī)耦合理論及應(yīng)變量輸出特性；分析磁機(jī)耦合過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立輸入－輸出載荷參量間二端口網(wǎng)絡(luò)的等效電路關(guān)系，論證基于磁疇偏轉(zhuǎn)數(shù)值方法的材料自感知可行性，為執(zhí)行器自感知的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。其中，修正的磁疇偏轉(zhuǎn)數(shù)值方法能夠較好描述超磁致伸縮材料的磁化和應(yīng)變量特性，進(jìn)一步論證了壓應(yīng)力對壓磁和磁彈性效應(yīng)的貢獻(xiàn)，壓應(yīng)力將增大材料的有效磁致伸縮應(yīng)變，但達(dá)到同

6、等應(yīng)變量需更大的磁場載荷；研究內(nèi)容完善了材料的磁機(jī)耦合理論，為超磁致伸縮執(zhí)行器的自感知應(yīng)用設(shè)計及論證提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。
　　針對超磁致伸縮執(zhí)行器中的磁和熱問題展開研究，完成執(zhí)行器自感知應(yīng)用的設(shè)計優(yōu)化和磁場感知關(guān)系的建立。解析優(yōu)化超磁致伸縮執(zhí)行器中勵磁線圈結(jié)構(gòu)及空間磁場分布，研究了考慮超磁致伸縮材料磁導(dǎo)率下執(zhí)行器內(nèi)有效磁場分布，修正材料軸向磁場分布的不均性，建立了考慮GMM磁導(dǎo)率下精確的勵磁電流－磁場間的數(shù)學(xué)關(guān)系；計算分析超磁致伸縮

7、執(zhí)行器內(nèi)的損耗和熱傳遞，仿真明確不同勵磁狀態(tài)下 GMA中溫升特性；建立執(zhí)行器中勵磁線圈磁感知的數(shù)學(xué)關(guān)系，完善超磁致伸縮執(zhí)行器的感知應(yīng)用模型。研究結(jié)果表明：超磁致伸縮材料磁導(dǎo)率的不同取值將影響材料軸向磁場分布，其中，GMM材料的端部磁場將高于中間位置，且磁導(dǎo)率的增加有利于增強(qiáng)軸向磁場的均勻性，同時使得材料內(nèi)平均磁場的數(shù)值減小。
　　最后，設(shè)計制作了超磁致伸縮執(zhí)行器，搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺。完成超磁致伸縮材料及其執(zhí)行器輸出機(jī)械特性、溫度特性

8、、動態(tài)特性的測試評價，論證了超磁致伸縮材料感知模型和執(zhí)行器自感知應(yīng)用模型的正確性。結(jié)果表明，所設(shè)計的超磁致伸縮執(zhí)行器在15MPa壓應(yīng)力作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)大于45μm、3.6MPa沖擊力輸出，其最大輸出應(yīng)力達(dá)到12.5MPa；GMA在靜態(tài)、動態(tài)勵磁下均存在應(yīng)變量的滯回，且滯回重復(fù)性較好，其動態(tài)諧振頻率在1200Hz左右，磁機(jī)耦合系數(shù)達(dá)0.572；在超磁致伸縮自感知驗(yàn)證中，預(yù)壓應(yīng)力載荷的感知誤差為0.5~0.6的標(biāo)準(zhǔn)差，應(yīng)變量感知數(shù)值與實(shí)測結(jié)