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《天津大学》 2009年
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超磁致伸缩换能器滞回非线性模型的研究

郑加驹  
【摘要】: 在磁致伸缩效应及逆磁致伸缩效应下,超磁致伸缩换能器的输入与输出均存在着显著的磁机耦合和滞回非线性行为。为了设计及使用器件,必须建立其准确的数学模型。本文对换能器的滞回非线性模型进行了深入研究,取得了以下成果: 1.基于二次畴转磁致伸缩模型和无滞回磁化强度模型,将线性压磁方程扩展为一个非线性本构模型I。利用此本构模型I和一种利用热力学关系建立的非线性本构模型II对超磁致伸缩材料的磁机耦合实验非线性行为进行了模拟,比较分析了它们的性能,为建立换能器的磁机耦合滞回非线性模型提供了理论依据。 2.为了得到基于Jiles-Atherton的超磁致伸缩换能器滞回模型的最佳参数,提出了梯度算法与混合编码遗传算法相结合的四个混合遗传算法,即GATR1、GALM1、GATR2和GALM2。仿真与实验结果表明GATR1能自动准确地辨识滞回模型在不同频率下的参数,从而可将该滞回模型扩展为一个能在广阔频率范围内准确描述换能器外加磁场和输出应变之间关系的动态滞回模型。 3.基于非线性本构模型II、Weiss铁磁理论、Jiles-Atherton模型、Bertotti损耗统计物理理论和换能器结构动力学原理建立了超磁致伸缩换能器在外加磁场作用下的磁机耦合动态滞回非线性模型。模型计算结果与实验结果对比,验证了所建模型能在广阔工作条件(不同偏置磁场、不同驱动频率和不同预应力)下,描述换能器的外加磁场与输出磁化强度、应变的磁机耦合动态滞回特性,对换能器的性能估计和控制器设计具有重要的指导意义。 4.推出在各种输入变化情况下,Preisach模型记忆曲线顶点矩阵的更新算式,建立了以记忆曲线顶点坐标矩阵为基础的Preisach类神经网络超磁致伸缩换能器滞回模型。仿真结果表明,该模型消除了传统Preisach模型对输入信号的限制条件,能预测换能器在复杂外加磁场下,输出磁化强度和位移的滞回特性。 5.基于Jiles-Atherton模型、磁机械效应方法定律和磁路定律,建立了一个超磁致伸缩磁力控制器的滞回模型。模型计算结果与实验结果对比,表明该模型能较好地描述在变化应力和恒定偏置磁场作用下,磁力控制器输入应力与输出磁化强度及磁力的滞回关系,并可以预测偏置磁场对器件输出性能的影响,从而对基于逆磁致伸缩效应的磁致伸缩换能器的设计与分析具有重要的指导意义。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O482.526

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