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具有气敏涂层的GMF静态磁机耦合模型及实验研究

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大连理工大学学报 2010年第6期50卷 937-941页

作者：王福吉贾振元刘巍赵建国大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116024

为实现超磁致伸缩薄膜(GMF)在微气体传感器领域的应用,需要研究其在气敏涂层条件下的磁致伸缩特性.以几何非线性弹性理论为基础,将磁致伸缩效应等效为GMF上体积力作用下的变形效应,建立了具有气敏涂层的悬臂梁式结构双层GMF低磁场下静... 详细信息

为实现超磁致伸缩薄膜(GMF)在微气体传感器领域的应用,需要研究其在气敏涂层条件下的磁致伸缩特性.以几何非线性弹性理论为基础,将磁致伸缩效应等效为GMF上体积力作用下的变形效应,建立了具有气敏涂层的悬臂梁式结构双层GMF低磁场下静态磁机耦合模型,解析了GMF悬臂梁末端的磁场与位移的数学关联.通过对双层薄膜TbDyFe/PI/SmFe和TbDyFe/Cu/SmFe进行试验,验证了磁场与位移数学关联的正确性.结果表明,曲线模型有较好的预测性,具有气敏涂层的GMF表现出更好的磁致伸缩效应.

关键词：敏感涂层薄膜磁机耦合超磁致伸缩效应

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基于GMM微进给刀架磁机耦合特性仿真

武汉理工大学学报 2010年第23期32卷 89-92页

作者：余震梅杰陈定方郝兆颖武汉理工大学智能制造与控制研究所武汉430063 安徽建筑工业学院机电学院合肥230601

随着精密加工技术在尖端科技领域的广泛应用,研究新型的微细加工微进给装置,是实现高精度微细加工的关键。本研究在基于GMM微进给刀架磁机耦合理论的基础上,进行基于GMM微进给刀架设计,并采用有限元方法对微进给刀架的磁机耦合特性进行... 详细信息

随着精密加工技术在尖端科技领域的广泛应用,研究新型的微细加工微进给装置,是实现高精度微细加工的关键。本研究在基于GMM微进给刀架磁机耦合理论的基础上,进行基于GMM微进给刀架设计,并采用有限元方法对微进给刀架的磁机耦合特性进行分析,研究结果表明基于GMM微进给刀架满足亚微米级的微细加工精度。

关键词：磁机耦合微进给超磁致驱动器

考虑磁机耦合的超磁致伸缩EHA非线性动力学建模及实验研究

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考虑磁机耦合的超磁致伸缩EHA非线性动力学建模及实验研究

作者：朱彦超武汉理工大学

学位级别：硕士

超磁致伸缩材料Terfenol-D具有磁致伸缩应变大、工作频宽宽、响应速度快以及定位精度高等优良特性,是研制小型化高频宽电静液作动器的理想驱动元件。超磁致伸缩电静液作动器利用单向阀的流体整流功能将超磁致伸缩材料的小的高频振动放... 详细信息

超磁致伸缩材料Terfenol-D具有磁致伸缩应变大、工作频宽宽、响应速度快以及定位精度高等优良特性,是研制小型化高频宽电静液作动器的理想驱动元件。超磁致伸缩电静液作动器利用单向阀的流体整流功能将超磁致伸缩材料的小的高频振动放大到液压缸的大位移运动中。虽然前人基于此原理已研制了智能型电静液作动器,但是这些作动器工作频率仅限于其驱动材料可用带宽的一小部分。基于此,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D为驱动元件研制了一款超磁致伸缩电静液作动器,并从理论建模和实验测试两个方面展开了相关研究:（1）根据超磁致伸缩电静液作动器的工作原理以及材料相关特性,提出了作动器的整体设计方案,详细地探讨了相关结构和零部件的功能特性和设计要求。并针对作动系统实验测试过程中所涉及的相关要求,对作动器相关结构进行了优化。（2）基于Jiles-Atherton模型和“接近原理”建立了超磁致伸缩材料TerfenolD的磁机耦合模型,描述了Terfenol-D在应力和磁场作用下的动态特性。并分析了在应力和磁场综合作用下材料的磁化强度、磁致伸缩应变以及弹性模量的变化规律。（3）在已建立的磁机耦合模型的基础上,基于机械动力学和流体力学等理论建立了作动器系统级动态输出模型,根据电液模拟理论以及单向阀的流固耦合特性建立了流体系统的动力学模型,并将流体有效体积弹性模量处理为压力的函数,描述了流体体积弹性模量和密度对于作动器输出性能的影响。采用四阶龙格-库塔法对模型进行迭代求解,计算结果表明了输入电流、工作频率、预应力、偏置压力以及带动负载等因素对于超磁致伸缩电静液作动器输出性能的影响。（4）加工制造了超磁致伸缩电静液作动器实验样机并搭建了实验测试平台,对作动器进行了测试,测试数据与仿真计算结果吻合良好,验证了所建立模型的准确性。测试结果表明作动器输出速度随驱动频率呈双峰变化趋势,且随着偏置压力增加,峰值频率上升,当偏压为2.6 MPa时,达到最佳输出水平。

关键词：超磁致伸缩 Terfenol-D 电静液作动器磁机耦合非线性动力学

基于磁-机耦合的多稳态压电悬臂梁式俘能器设计与性能分析

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基于磁-机耦合的多稳态压电悬臂梁式俘能器设计与性能分析

作者：彭雅慧大连理工大学

学位级别：硕士

车辆减振降噪对于提高整车的舒适性具有重要的意义。车辆减振降噪通常是将振动能量转换为热能并耗散掉,这不利于汽车能耗的降低,因此将振动能量转换并储存起来或为车载MEMS传感器等微型电子设备供电成为近几年研究的热点课题。在常用的... 详细信息

车辆减振降噪对于提高整车的舒适性具有重要的意义。车辆减振降噪通常是将振动能量转换为热能并耗散掉,这不利于汽车能耗的降低,因此将振动能量转换并储存起来或为车载MEMS传感器等微型电子设备供电成为近几年研究的热点课题。在常用的几种振动能量收集器(电磁式、静电式以及压电式)中,压电式振动能量收集器以其结构简单、环保、高效等优点备受关注。传统的压电式振动能量收集器是一种线性的谐振器,在低频环境中只能在较窄的频带范围内有效(机械振动是在一个较宽频带内的随机振动,因此需要研究低频大带宽压电俘能器。多稳态俘能器在不同的外部激励下可出现势阱内的小幅高频周期运动、势阱间的混沌运动和势阱间的大幅低频周期运动,因此可以在较宽的工作频带内高效俘能。本文提出一种基于磁-机耦合的多稳态压电俘能器,建立了俘能器系统的能量-位移函数,分析了多稳态压电俘能器的稳态特性,基于稳态特性分析,完成满足特定性能需求的多稳态压电俘能器的设计。基于有限元分析和实验验证多稳态压电俘能器的发电性能。本文主要研究工作如下:(1)提出基于磁-机耦合的压电双平行梁多稳态俘能器新构型。建立了新型俘能器的数值分析模型,并利用有限元验证了分析模型的正确性。(2)对提出的新型压电俘能器进行了结构参数设计。推导了系统能量-位移函数,基于得到的能量-位移函数关系,分析了结构参数对双稳态、三稳态和四稳态系统的稳态特性的影响。基于分析的结果,优化设计了俘能器结构的磁块个数、磁块布置位置,分别得到最优的双稳态、三稳态和四稳态压电悬臂梁俘能器。给出了三种俘能器的应用环境。分析结果表明:随着磁块间水平间距d值的增加,双稳态压电俘能器的势阱深度降低,两个稳态的位置均向零点靠近,这表明梁在振动过程中,越过势垒所需的能量降低,更容易产生跨越双稳态的大幅阱间振动,但跨越势垒的大幅振动的幅值会随磁块间水平间距d值的增加而有所降低。随着磁块间竖直间距d的增加,系统势阱深度降低,两个稳态位置均远离零点,这表明梁越过势垒所需的能量降低,更容易产生跨越双稳态的大幅阱间振动,并且跨势垒的大幅振动的幅值会增大;对于三稳态、四稳态的多稳态压电俘能器,稳态数目的增加可以增大边界稳态间的间距,从而增大阱间振动幅度。(3)实验验证本文提出的磁-机耦合双平行梁压电俘能器的性能。搭建了振动测试试验平台,制作了实验试件,采用白噪声随机激励,分别测试了低激励幅值和高激励幅值情况下,多稳态压电俘能器的发电性能。有限元分析结果和实验结果均表明,与传统压电俘能器相比,多稳态压电俘能器有更好的发电性能。

关键词：振动能量收集磁机耦合多稳态发电性能

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考虑应力耦合的三维磁致伸缩力传感模型研究

系统仿真学报 2018年第10期30卷 3671-3680页

作者：李波杨家斌舒亮李鹏辉伍虹武汉理工大学物流工程学院智能制造与控制研究所武汉430063 温州大学浙江省低压电器工程技术研究中心温州325035 甘肃天星稀土功能材料有限公司兰州730000

针对普通磁致伸缩材料和压电材料脆性较大的问题,设计了一种以Galfenol合金(铁-镓合金)为敏感元件的力传感机构,可对方向交变的力载荷进行检测。建立了考虑应力耦合的传感机构三维磁-机耦合模型,采用能量均分模型(Discrete Energy-avera... 详细信息

针对普通磁致伸缩材料和压电材料脆性较大的问题,设计了一种以Galfenol合金(铁-镓合金)为敏感元件的力传感机构,可对方向交变的力载荷进行检测。建立了考虑应力耦合的传感机构三维磁-机耦合模型,采用能量均分模型(Discrete Energy-averaged Model)对合金的磁化非线性进行了描述,并通过弱解式动力学方程将磁化模型与机构的动力学模型进行耦合,达到对合金磁化过程进行完整描述的目的。模型通过Comsol Multiphysics弱解式模块求解,仿真结果表明,由于考虑了应力耦合,模型可描述合金受到磁场、应力同时作用时磁化强度的变化。以Φ8×100毫米的合金研制了传感样机,试验结果表明,传感机构可对方向交变的载荷进行检测,测得的磁化强度与仿真结果吻合较好。

关键词：应力耦合磁致伸缩力传感磁机耦合

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大位移磁致伸缩传感器的弹性波建模与分析

传感技术学报 2013年第2期26卷 195-199页

作者：代前国周新志四川大学电子信息学院成都610065

磁致伸缩位移传感器是一种测量精度高,测量位移大的新型位移传感器.传感器设计涉及多学科交叉,难以建立统一数学模型.以FeGa材料作为磁致伸缩位移传感器的核心波导丝,建立了波导丝材料磁致伸缩弹性波振动模型,波导丝磁机耦合模型和信号... 详细信息

磁致伸缩位移传感器是一种测量精度高,测量位移大的新型位移传感器.传感器设计涉及多学科交叉,难以建立统一数学模型.以FeGa材料作为磁致伸缩位移传感器的核心波导丝,建立了波导丝材料磁致伸缩弹性波振动模型,波导丝磁机耦合模型和信号检测模型;同时分析了弹性波信号的受限因素,信号衰减特性.在数学模型基础上,搭建磁致伸缩位移传感器系统,设计了扭转波信号检测电路.实验结果表明信号的输出随着传感距离的增加而减小,该模型对大位移磁致伸缩传感器研究有积极意义.

关键词：磁致伸缩位移传感器弹性波建模磁机耦合

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基于磁化机理的超磁致伸缩执行器磁滞模型

功能材料与器件学报 2010年第1期16卷 41-46页

作者：韩同鹏李国平宁波大学工学院

通过分析超磁致伸缩材料磁畴在外加磁场作用下的运动规律,建立了超磁致伸缩执行器基于磁化机理的磁滞模型。该模型结合执行器的工作条件,充分考虑了材料的非线性和滞回特性。模型包括磁致伸缩和磁化两个子模型,磁致伸缩模型描述了材料... 详细信息

通过分析超磁致伸缩材料磁畴在外加磁场作用下的运动规律,建立了超磁致伸缩执行器基于磁化机理的磁滞模型。该模型结合执行器的工作条件,充分考虑了材料的非线性和滞回特性。模型包括磁致伸缩和磁化两个子模型,磁致伸缩模型描述了材料应变λ跟磁化强度M之间的关系;磁化模型描述了有效磁场Heff、无磁滞磁化Man、可逆磁化Mrev、不可逆磁化Mirr、总磁化强度M之间的关系。通过对实验测试结果进行分析,验证了模型能准确描述输入电流I与输出应变λ之间的关系。

关键词：超磁致伸缩执行器磁滞模型磁机耦合

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GMA高频振动特性的研究与分析

GMA高频振动特性的研究与分析

作者：李涛涛武汉理工大学

学位级别：硕士

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，在高频驱动磁场作用下，其共振输出高达4000ppm的应变值，远高于普通频域驱动时的1500ppm。超磁致伸缩材料的非线性特征使得在探究GMA高频振动特性、量化GMA高频振动时输入与输出上存在着较大的困... 详细信息

超磁致伸缩材料是一种新型的功能材料，在高频驱动磁场作用下，其共振输出高达4000ppm的应变值，远高于普通频域驱动时的1500ppm。超磁致伸缩材料的非线性特征使得在探究GMA高频振动特性、量化GMA高频振动时输入与输出上存在着较大的困难，严重制约着高频振动条件下GMA实际工程应用的深度和广度。本文以一款自主开发设计、面向高频振动输出的GMA为研究对象，围绕器件高频振动特性主要完成了以下研究工作：（1）研究分析了应用于高频驱动GMA的主要特点及设计过程中主要考虑因素，在完成器件的动静态磁场仿真设计、磁场均匀性分析、预压机构及温控系统的基础上，绘制了器件的二维图纸，并按设计方案制作了1:1的实物样机。以GMA实物为中心，配套搭建了用于器件输出特性测量的实验平台。（2）对动态磁滞建模中的关键技术进行了研究，在经典J-A模型基础上，引入时变负载及预压弹簧动态微应力影响，建立了改进的J-A磁滞模型;在线性压磁方程基础上，考虑材料应力项与材料内部磁场强耦作用，建立了用于描述超磁致伸缩材料磁场-机械场的强耦合模型;结合致动器结构动力学模型，联立建立了用于描述超磁致伸缩致动器磁-机耦合磁滞非线性动力学数学模型建模，丰富了超磁致伸缩材料及其器件的建模方法。（3）在有限元软件ANSYS平台上，以电磁比拟理论为基础，完成了对GMA磁场-机械场耦合建模，在耦合模型的基础上，探究了不同GMM棒体切片层数对材料振动模态的影响，考量了瞬态分析中脉冲宽度与质量块分别对GMA瞬态响应特性的影响，考量谐波分析中驱动频率对GMA输出特性的影响，根据仿真结果为器件工作状态优选及优化设计提供理论依据。（4）完成了准静态与动态驱动下GMA输出特性实验研究。在准静态实验中，主要研究了关于预应力及驱动磁场强度对GMA输出特性的影响，为器件的动态测试状态优选打下了良好的实验基础;在动态输出实验中，主要探究了驱动电压、驱动电流与驱动频率对GMA动态输出特性的影响，并就实验结果给出了合理的解释。

关键词：超磁致伸缩致动器高频振动磁滞模型磁机耦合振动特性分析

静电悬浮加速度计地面试验系统微位移驱动器控制模型研究

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科学技术与工程 2007年第2期7卷 186-189,194页

作者：宋仁旺陈琳英兰州物理研究所兰州730000

介绍了超磁致伸缩驱动器(GMA)的结构,从有助于理解压磁效应的角度,建立了GMA的静态位移力模型和磁-机耦合模型,并对后者进行了仿真研究。仿真结果显示机械部分响应时间比较缓慢,减小阻尼会带来一些不利影响,如超调量增大。波动增大,要... 详细信息

介绍了超磁致伸缩驱动器(GMA)的结构,从有助于理解压磁效应的角度,建立了GMA的静态位移力模型和磁-机耦合模型,并对后者进行了仿真研究。仿真结果显示机械部分响应时间比较缓慢,减小阻尼会带来一些不利影响,如超调量增大。波动增大,要改善系统的动态性能,需要在控制系统部分增加合理的调节器。

关键词：超磁致伸缩微位移驱动器位移-力磁机耦合仿真模型