【摘 要】
：
超磁致伸缩作动器（GMA）是以超磁致伸缩材料（GMM）作为驱动元件的高度集成化的作动器,其性能影响因素多,理论分析复杂。受制于GMM的材料特性和现有作动器定内阻设计的影响,效率问题长期以来制约着高性能GMA的发展。本文提出一种作动器机械内阻抗连续可调机制及其效率提升方法,以超磁致伸缩材料（牌号Terfenol-D）为驱动元件,提出了一种GMA的设计方案,通过调控Terfenol-D的ΔE效应对作动
论文部分内容阅读
超磁致伸缩作动器（GMA）是以超磁致伸缩材料（GMM）作为驱动元件的高度集成化的作动器,其性能影响因素多,理论分析复杂。受制于GMM的材料特性和现有作动器定内阻设计的影响,效率问题长期以来制约着高性能GMA的发展。本文提出一种作动器机械内阻抗连续可调机制及其效率提升方法,以超磁致伸缩材料（牌号Terfenol-D）为驱动元件,提出了一种GMA的设计方案,通过调控Terfenol-D的ΔE效应对作动器机械内阻抗主动调节,机械内阻抗可与负载阻抗自适应匹配,使作动器功率转换效率最高,主要研究工作如下:（1）从超GMM材料特性和GMA的工作原理出发,设计了一款超磁致伸缩作动器。对作动器的预紧结构进行了优化设计,更好地满足作动器的工作要求。对作动器的磁路进行了设计和计算。（2）基于机械阻抗法和机电模拟建模法对GMA的机械阻抗网络进行了搭建,通过基尔霍夫定律和焦耳定律对作动器功率转化效率进行了建模,确立了作动器功率转化效率最高时,作动器阻抗匹配条件。对Terfenol-D进行了压缩应力加载测试,并对Terfenol-D棒杨氏模量在外加应力和驱动磁场耦合作用下的变化规律及原因进行了分析。依据Terfenol-D棒杨氏模量的变化范围,确定了作动器的理想负载阻抗匹配区间。通过控制变量法分析了Terfenol-D棒结构参数对作动器阻抗匹配的影响,提出了根据负载情况选取Terfenol-D棒规格的方法。（3）在所建立的机械阻抗网络模型的基础上,基于神经网络和二维插值方法分别建立了描述Terfenol-D棒磁场、应力-杨氏模量的理论模型,并与实验数据进行了对比,采用神经网络求逆的方法确定了Terfenol-D棒目标杨氏模量与所需的驱动磁场、外加应力的数学关系,并基于神经网络逆模型和阻抗匹配条件,求解作动器的驱动电流信号,完成了闭环的超磁致伸缩作动器阻抗跟踪控制,仿真计算得到控制方案下作动器功率转化效率最高可达25%。（4）研制了GMA原理样机,在其基础上搭建了实验测试平台,对作动器进行了实验测试,测试数据与仿真计算结果较好地吻合,验证了所建立理论模型的准确性。确定了作动器的最佳工作预应力为6 MPa;并在300 HZ、500 HZ、1000 HZ下对作动器进行了测试,将测试数据与仿真计算结果进行了对比,阻抗跟踪控制方案下,实验测得的不同负载下作动器效率均在24%到25%之间。
其他文献
目前,纤维增强树脂基复合材料（Fiber-Reinforced Resin Matrix Plastic,FRP）因为其优异的力学性能而被广泛用于国防科技、航天航空、建筑等领域。由于树脂材料的黏弹性性能,FRP结构在长期承载时发生的蠕变会造成其力学性能的劣化,从而降低其使用寿命。本文采用实验研究、宏观模型预测以及细观力学模型分析的方法,对FRP的蠕变性能进行了系统地研究。论文的主要内容如下:（1）
磁流变弹性体是一种磁敏智能材料,它主要由微米级软磁性颗粒和高分子聚合物基体组成。磁流变弹性体的力学性能,如模量、阻尼等,可以通过磁场连续、快速、可逆地控制,这种磁场依赖性称为磁流变效应。基于这些特性,磁流变弹性体在许多实际应用中,如隔振器、传感器、执行器和人工肌肉等有着广阔的应用前景。磁流变弹性体要实现工程化,一方面需要具备显著的磁流变效应,另一方面则要拥有优异的力学性能,然而目前磁流变弹性体的磁
梯度功能材料由于其材料属性在空间上连续变化的特点,被广泛应用在航空航天领域中,尤其是航天飞行器的热防护材料上。在其服役的生命周期内,微裂纹的萌生和发展是影响梯度功能材料部件使用寿命的重要因素。传统的连续介质理论在处理裂纹扩展这类不连续问题上存在着一定的局限性,实验方法又过于耗时耗力,于是学者们把目光放在了数值模拟方法上。本文建立了一种适用于梯度功能材料分析的近场动力学键基模型,编写了相应的计算程序
城市深隧排水系统是一种能够有效解决城市内涝和溢流污染的重要措施,深隧结构是城市深隧排水系统中的关键结构,具有投资大、耐腐蚀要求高、设计使用寿命长等基本特点。玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics,简称GFRP）管,作为一种轻质高强、耐腐蚀、使用寿命长且具有优良水力性能的复合材料管道,已成为国内外各类给排水管道工程中的主流管道之一。针对深隧结构的要求及GFR
本文以碳纤维毡和环氧树脂为原材料研制了树脂基碳纤维智能层,并对其在平面应力状态下的力阻传感特性展开了研究。主要内容包括:试验研究树脂基碳纤维智能层在单轴和双轴加载下的力阻响应;以力阻理论为基础,建立平面应力状态下树脂基碳纤维智能层的力阻本构方程,并测定其中力阻敏感因子;从微观结构出发,结合DIGIMAT模拟计算,分析树脂基碳纤维智能层的力阻响应机理;最后结合ANSYS力电耦合有限元计算和DIC应变
ZrC具有面心立方（FCC）的结构,其能广泛应用于航空航天、切削工具以及核反应堆涂层等领域,其中Zr和C原子分别占据晶格点和八面体间隙位。一方面,在使用过程中,因极端环境的影响,处于八面体间隙位的C原子会出现缺失,形成碳空位,影响ZrC的性能;另一方面,碳空位容易被环境中的其他原子（O、B等）占据,从而进一步改善ZrC的性能。本文通过第一性原理方法,从微观尺度分析了碳空位对ZrC的力学和热学性能的
混凝土制品是建筑行业发展的一个重要方向,关于制品混凝土的研究和应用亦成为热点问题。相较于普通混凝土而言,采用蒸养等湿热养护工艺的制品混凝土虽然能够在早期获得较好的力学性能,但在加快水泥水化的同时也造成了混凝土内部的热损伤、水化产物不均匀及孔隙结构粗化等缺陷,影响制品混凝土的力学性能及耐久性。本文旨在针对制品混凝土脆性大、易开裂、韧性差的问题,研究了影响制品混凝土脆性、韧性的不同因素,并提出相关的减
CRTS（China Railway Track System）II型板式无砟轨道作为我国应用最广泛的高速铁路轨道之一,长期在复杂环境影响及高速列车的荷载作用下,可能会产生各类位置不同,形式不一,程度不等的损伤。随着损伤的不断累积,将可能严重危害列车的行驶安全。在众多形式的损伤中,以水泥乳化沥青（CA）砂浆层出现的损伤最应引起重视。目前对于CRTS II型板式无砟轨道CA砂浆层损伤检测的方法,或是
疲劳性能是碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）的一项重要性能指标,在一定程度上决定了其在长期服役过程中的安全性和可靠性。CFRP在服役环境下的疲劳性能通常需要长期的、高成本的实验才能得到,并且其在服役环境下损伤机理研究不深入、微观结构损伤与性能退化关联性不清等问题依旧存在。为了可以通过快速、低成本的方法得到CFRP在不同温湿度环境下的疲劳性能
将橡胶集料等体积替换部分天然骨料不仅可以改善混凝土材料自重大、脆性等缺点,而且能够将废弃物重新利用,为橡胶的处理增添了新的途径。但是随着橡胶掺量的增加,橡胶集料混凝土的抗压强度、抗折强度和弹性模量明显下降,这限制了橡胶集料混凝土在土木工程中的应用。受钢管混凝土组合构件的启发,将橡胶集料混凝土加入钢管内形成钢管橡胶集料混凝土组合构件,其强度和延性会得到明显提升。因橡胶集料混凝土与普通混凝土的力学性能