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超磁致伸缩泵动力学建模及性能表征

明廷鑫  
【摘要】:随着微流体器件及微机电系统(MEMS)技术的发展,以智能材料特别是超磁致伸缩材料(GMM)为驱动元件的微型泵的研究已经成为了国内外研究的热点,超磁致伸缩泵(GMP)因为其体积小、重量轻、流量精密可控的优越性能,完全能够满足现代工业对智能精密微泵的高要求。本文基于超磁致伸缩材料的优良特性,较系统地进行了GMP的总体结构设计和仿真分析,从动力学建模、流阻特性分析、气泡影响机理研究等方面着手,为设计体积小型化、输出流量精密可控的新型智能微泵提供了一定的设计理论支持。基于超磁致伸缩材料的研究背景和GMP的研究现状,本文主要进行了以下的研究:(1)结合GMP的工作原理,提出了相应的设计要求,并对其进行总体结构设计,主要包括GMM棒的选型及尺寸计算,驱动线圈关键结构参数的设计,预压力系统和冷却系统设计,泵腔高度设计,悬臂梁阀片设计,密封结构设计等;(2)根据GMP的结构和工作机理,推导得到其动力学模型,通过MATLAB软件对所建模型作阶跃响应分析,得到GMP的输出流量与等效质量、等效刚度、等效阻尼和驱动频率之间的影响规律;随后建立的悬臂梁单向阀的动态模型,通过COMSOL软件进行悬臂梁单向阀的流固耦合特性分析,研究材料类型、厚度参数对阀片过流特性的影响。(3)结合流体力学的三大基本方程,分析了GMP的流阻特性,计算GMP的沿程水头损失和局部水头损失,获得在粘性介质作用下,影响流体阻力大小的关键因子。然后通过COMSOL软件分析泵腔高度、进出口管位置及其大小、倒角形状等结构参数对泵腔内流体流速和压力的影响规律,提出了减小流阻的方法。(4)从气泡的产生原因及气泡对流体等效体积模量的影响机理出发,分析了泵腔内气泡对泵输出流量、输出压力、工作频率以及悬臂梁阀片运动情况的影响过程,从抑制气泡产生和增加气泡通过性的两个方面,提出了减少腔内气泡的方法,为制作抗气泡能力强的GMP提供了参考依据。


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