超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著天文觀測(cè)技術(shù)和空間探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)大型光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的精度提出了越來(lái)越苛刻的要求。為此，拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，而該技術(shù)的核心部件是拼接子鏡的微位移驅(qū)動(dòng)器。微位移驅(qū)動(dòng)器性能的好壞，將直接關(guān)系到天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的精度?，F(xiàn)有的微位移驅(qū)動(dòng)器，不能同時(shí)滿足位移量大、控制精度高、負(fù)載能力強(qiáng)三項(xiàng)驅(qū)動(dòng)需求。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，在已有的對(duì)于微位移驅(qū)動(dòng)器以及超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的研究基礎(chǔ)上，本論文研究面向大型天文望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用需

2、求，在設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)位移大、控制精度高、負(fù)載能力強(qiáng)的超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)GMA)方面進(jìn)行了探索。本論文針對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)GMA輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)，主要在磁致伸縮非線性磁滯特性有限元建模和驅(qū)動(dòng)仿真方面進(jìn)行了研究探索，并進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)嘗試。這些工作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)GMA高效設(shè)計(jì)奠定了良好的理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐基礎(chǔ)。本文的主要內(nèi)容包括：第一章：首先介紹了大型天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的組成以及天文望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展現(xiàn)狀，接著根據(jù)研究需要介紹了材料的發(fā)展歷程

3、及GMA的研究現(xiàn)狀，最后在總結(jié)GMA在我國(guó)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀以及材料磁滯非線性模型發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，說(shuō)明了論文的研究意義及主要研究?jī)?nèi)容。第二章：總結(jié)了材料磁致伸縮的基本原理，材料的一些基本特性，并給出了表征材料特性的最重要的幾個(gè)參數(shù)。隨后，搭建材料特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)材料重要性能參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)定，為后續(xù)GMA的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。第三章：首先，討論了驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部勵(lì)磁線圈和偏置磁場(chǎng)的磁路模型，隨后基于畢奧—薩伐爾定律和鐵磁學(xué)基本理論，對(duì)勵(lì)

4、磁線圈和偏置圓筒永磁鐵的軸線磁場(chǎng)建立了數(shù)學(xué)模型。隨后采用MATLAB編程計(jì)算了勵(lì)磁線圈和偏置永磁套筒軸線上的磁場(chǎng)分布。針對(duì)數(shù)學(xué)模型不能充分反映驅(qū)動(dòng)器材料和結(jié)構(gòu)尺寸的選擇對(duì)驅(qū)動(dòng)器電磁性能的影響，采用電磁場(chǎng)有限元分析方法，在ANSYS軟件中對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真計(jì)算，充分討論了材料和結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)性能的影響，為第五章的驅(qū)動(dòng)器詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。第四章：針對(duì)GMA的磁滯非線性特性進(jìn)行建模，推導(dǎo)了電磁、機(jī)械兩個(gè)物理場(chǎng)的弱解形式的方程，根據(jù)第

5、二章給出的線性本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)了適用于有限元求解的形式，同時(shí)采用Jiles-Atherton模型描述材料的磁滯回特性。隨后，采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)前面建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了建模實(shí)現(xiàn)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的正確性，并討論了模型的不足與改進(jìn)。第五章：根據(jù)前面三章給出的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的優(yōu)化準(zhǔn)則，給出了帶永磁偏置和無(wú)永磁偏置的兩種GMA的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造。隨后對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，