基于自由能模型的GMA磁机耦合特性研究

【摘要】：采用超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material, GMM)制作的稀土超磁致伸缩微驱动器(Giant Magnetostrictive Actuator, GMA)具有大应变、高精度、强力以及响应速度快、可靠性高等优势,迅速成为微驱动领域的研究热点。目前已有GMA在精密流体传输与控制、精密加工、精密蠕动机构、声纳、振动抑制等领域的应用研究报道。研究表明：执行器输出信号和输入信号存在着本征关系。1980年,Clark提出了超磁致伸缩执行器的线性本构方程,此方程虽然忽略了许多非线性现象,但却大体上表达出了超磁致伸缩材料磁—机和机—磁关系,成为了进一步研究的基础。本征非线性是智能材料实用化过程中的一大难题,由于材料本身机—电磁—热之间的强耦合属性,使得这种非线性问题十分复杂,进而导致建模十分困难。目前常用的商业软件ANSYS、COMSOL和SAP等都仅包含针对电—机耦合的压电模块,未能涉及超磁致伸缩材料的电—磁—机三场耦合。 论文以微致动技术为背景,分别论述了超磁致伸缩致动器的应用器件和磁机耦合研究现状,并且介绍了超磁致伸缩材料及其特性、磁致伸缩机理、超磁致伸缩致动器及其建模方法。 在超磁致伸缩材料的工作特性的基础上,完成超磁致伸缩致动器的设计。针对所设计的超磁致伸缩致动器,在理解COMSOL软件的电磁场分析理论后建立了其三维有限元模型,分析了其磁场特性。分析结果表明,磁路结构设计合理,GMM棒上的磁感应强度满足要求,漏磁较少。 本文通过自由能磁滞模型对超磁致伸缩致动器的磁滞特性和非线性进行深入研究和描述,并以此作为材料模型求解压磁方程系数矩阵；然后针对整个GMA系统,利用Maxwell方程对其三维磁场分布进行研究,利用牛顿第二定律对其机械场进行研究,结合推导出弱解形式下的磁机耦合方程组,建立其三维磁—机耦合模型,并将自由能磁滞模型作为材料本征模型与三维耦合模型进行结合,建立超磁致伸缩致动器的三维非线性耦合模型,然后对其进行有限元离散化,代入增量形式的压磁方程,共同求解矢量势能和位移变量的增量,从而得到磁感应强度和应变的增量,进而获得总应变的输出。 论文对超磁致伸缩致动器进行了测试和实验研究,包括GMA的动态特性、磁滞特性等。研究结果表明,采用COMSOL软件建立超磁致伸缩致动器的三维磁—机耦合模型和分析结果正确,输出位移和磁滞大小的数据基本吻合,相对误差大部分均在15%以内。这表明,所建立的磁机耦合模型对GMA的结构设计优化可以起到一定的参考作用。