【摘 要】
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磁致伸缩换能器在精密驱动、精密加工、超声换能、减振控制等诸多领域有着广泛的应用。在磁场激励的应用中,磁场感应的涡流损耗会降低器件的效率,但在应力激励的涡流阻尼被动减振中,应力感应的涡流损耗对改善工程结构的减振起着重要的作用。为此,本文首先分别对磁场激励和应力激励下,磁致伸缩材料(如Terfenol-D和Galfenol)涡流损耗线性动态模型及特性进行研究,在此基础上,建立了应力激励下Galfeno
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磁致伸缩换能器在精密驱动、精密加工、超声换能、减振控制等诸多领域有着广泛的应用。在磁场激励的应用中,磁场感应的涡流损耗会降低器件的效率,但在应力激励的涡流阻尼被动减振中,应力感应的涡流损耗对改善工程结构的减振起着重要的作用。为此,本文首先分别对磁场激励和应力激励下,磁致伸缩材料(如Terfenol-D和Galfenol)涡流损耗线性动态模型及特性进行研究,在此基础上,建立了应力激励下Galfenol涡流分流阻尼减振系统非线性动态模型,分析了其减振性能,最后基于有限元法建立该阻尼器内部的动态磁滞模型,分析了其特性。具体工作如下:1.基于麦克斯韦方程和磁致伸缩材料线性本构方程建立了材料涡流场分布线性模型,利用贝塞尔函数分别对磁场激励和应力激励下的涡流场分布模型进行求解,分别推得了相应的有量纲涡流损耗模型,并通过截止频率进行无量纲化处理,得到了相应的无量纲损耗模型。2.利用所建材料涡流损耗线性模型对磁场激励和应力激励下的材料特性进行了仿真研究,绘制了无量纲磁场强度和磁感应强度的时域、频域和空间分布的动态响应曲线,绘制了涡流损耗因子的幅频和相频性能曲线,并从能量和涡流损耗角度解释了响应曲线变化的原因。3.基于有效磁场表达式、涡流本构方程、Armstrong磁滞模型以及机电耦合模型,建立了应力激励下Galfenol涡流分流阻尼减振系统的非线性耦合动态模型。通过仿真与实验结果对比,验证了所建模型描述Galfenol棒静态主环、动态小环和动态特性参数的有效性。仿真预测了系统在不同偏置应力和分流电阻下的减振性能,表明应力感应涡流可显著改善系统减振性能,合适的分流电阻也能提高减振效果,为器件的设计、分析和应用提供了理论指导。4.基于Armstrong磁滞模型、场路耦合涡流场分布模型和有限元求解法,建立了Galfenol涡流分流阻尼器内部的动态磁滞模型。通过仿真与实验结果对比,表明所建模型可较好描述在高幅、高频动态应力下,阻尼器内部磁感应强度-应力动态主环曲线和应变-应力动态主环曲线,并能预测外接分流电阻对曲线的影响。这些为器件在高幅、高频应力下的应用奠定了非常重要的理论基础。
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