基于自由能模型的GMA磁機耦合特性研究.pdf

1、采用超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)制作的稀土超磁致伸縮微驅(qū)動器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)具有大應(yīng)變、高精度、強力以及響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)勢,迅速成為微驅(qū)動領(lǐng)域的研究熱點。目前已有GMA在精密流體傳輸與控制、精密加工、精密蠕動機構(gòu)、聲納、振動抑制等領(lǐng)域的應(yīng)用研究報道。研究表明:執(zhí)行器輸出信號和輸入信號存在著本征關(guān)系。1980年,C

2、lark提出了超磁致伸縮執(zhí)行器的線性本構(gòu)方程,此方程雖然忽略了許多非線性現(xiàn)象,但卻大體上表達出了超磁致伸縮材料磁—機和機—磁關(guān)系,成為了進一步研究的基礎(chǔ)。本征非線性是智能材料實用化過程中的一大難題,由于材料本身機—電磁—熱之間的強耦合屬性,使得這種非線性問題十分復(fù)雜,進而導(dǎo)致建模十分困難。目前常用的商業(yè)軟件ANSYS、COMSOL和SAP等都僅包含針對電—機耦合的壓電模塊,未能涉及超磁致伸縮材料的電—磁—機三場耦合。
　　 論文

3、以微致動技術(shù)為背景,分別論述了超磁致伸縮致動器的應(yīng)用器件和磁機耦合研究現(xiàn)狀,并且介紹了超磁致伸縮材料及其特性、磁致伸縮機理、超磁致伸縮致動器及其建模方法。
　　 在超磁致伸縮材料的工作特性的基礎(chǔ)上,完成超磁致伸縮致動器的設(shè)計。針對所設(shè)計的超磁致伸縮致動器,在理解COMSOL軟件的電磁場分析理論后建立了其三維有限元模型,分析了其磁場特性。分析結(jié)果表明,磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,GMM棒上的磁感應(yīng)強度滿足要求,漏磁較少。
　　 本文

4、通過自由能磁滯模型對超磁致伸縮致動器的磁滯特性和非線性進行深入研究和描述,并以此作為材料模型求解壓磁方程系數(shù)矩陣;然后針對整個GMA系統(tǒng),利用Maxwell方程對其三維磁場分布進行研究,利用牛頓第二定律對其機械場進行研究,結(jié)合推導(dǎo)出弱解形式下的磁機耦合方程組,建立其三維磁—機耦合模型,并將自由能磁滯模型作為材料本征模型與三維耦合模型進行結(jié)合,建立超磁致伸縮致動器的三維非線性耦合模型,然后對其進行有限元離散化,代入增量形式的壓磁方程,共同