【摘 要】
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磁控形状记忆合金是一种新型智能材料,可以在磁场作用下产生形状记忆效应。磁控形状记忆合金具有与常规形状记忆合金相似的大应变特性,同时也具有磁致伸缩材料的快速响应特性,这使得磁控形状记忆合金成为一种极具潜力的驱动器材料。磁控形状记忆合金驱动器是一种新型智能材料驱动器。在相同尺寸下,它具有远大于压电驱动器的位移,同时具有远高于普通形状记忆合金驱动器的驱动频率,是中高频大行程驱动器的发展方向之一。本文围绕
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磁控形状记忆合金是一种新型智能材料,可以在磁场作用下产生形状记忆效应。磁控形状记忆合金具有与常规形状记忆合金相似的大应变特性,同时也具有磁致伸缩材料的快速响应特性,这使得磁控形状记忆合金成为一种极具潜力的驱动器材料。磁控形状记忆合金驱动器是一种新型智能材料驱动器。在相同尺寸下,它具有远大于压电驱动器的位移,同时具有远高于普通形状记忆合金驱动器的驱动频率,是中高频大行程驱动器的发展方向之一。本文围绕磁控形状记忆合金驱动器在简谐激励下和随机激励下的动力学特性,开展了一系列工作:(1)提出了一种新的非线性滞后模型,引入应变对时间的导数来表征加载和卸载过程,克服了传统滞后环模型采用特殊函数导致难以进行动力学分析的缺陷。通过实验测得磁控形状记忆合金材料在不同压力下的磁场强度-应变曲线,以及不同磁场强度下的应力-应变曲线;分别建立了描述磁控形状记忆合金应力-应变曲线以及磁场强度-应变曲线的非线性微分本构关系,然后进一步运用主成分分析法得到磁场强度-应力-应变三者的耦合关系,最后验证了所建立的多场耦合本构模型的精确性。(2)建立了带有磁控形状记忆合金驱动器的简支梁在PD控制下的两自由度非线性动力学模型,克服了传统模型将磁控形状记忆合金驱动器单纯看作振动源而忽略其本身结构刚度的缺陷,并探讨了系统丰富的动力学特性。设计了一种磁控形状记忆合金驱动器,运用哈密尔顿原理建立了磁控形状记忆合金驱动器的动力学模型。运用平均法得到系统的一阶近似解,并分析了系统的稳定性。运用MATLAB软件对系统的动力学特性进行了数值仿真,得到了倍周期、多脉冲轨道跳跃、混沌等多种典型非线性动力学特性。(3)提出一种分析强非线性滞后系统动力学特性的新方法,针对传统非线性滞后模型易受加载速率影响的缺陷,引入待定固有频率ω修正了原模型的非线性阻尼项,消除了加载速率对滞后环的影响。为求解待定固有频率ω,针对系统的强非线性特性,引入小参数变换,将大参数ε转换为小参数α,结合多尺度法求解隐函数方程,得到了系统在强非线性条件下的固有频率ω,并分析了系统参数对系统固有频率的影响,发现不同非线性刚度项对系统固有频率具有不同的影响。在此基础上,还研究了带有裂纹的磁控形状记忆合金驱动器的非线性动力学特性。将裂纹表达为刚度随时间的简谐变化,得到带有时变刚度的系统动力学方程,运用多尺度法分析了系统稳态解的稳定性,发现时变刚度系统的稳定域随时变刚度参数σ的增大而缩小。(4)研究了磁控形状记忆合金驱动器在随机扰动下的动力学响应,提出了一种通过调节系统参数以避免随机扰动引发大幅周期振动的分岔控制思路。建立了磁控形状记忆合金驱动器在随机扰动下的非线性动力学模型,求解系统的漂移和扩散系数,进而得到系统的最大李雅普诺夫指数;分析了系统的局部稳定性和全局稳定性,提出了一种新的局部稳定性分析方法,可以适用于状态空间里的任一点的稳定性分析;得到了系统响应的稳态概率密度表达式,并运用Mathematics软件进行了数值仿真,得到系统发生随机分岔的参数条件。理论分析和数值仿真结果表明:滞后非线性系统在随机扰动下会产生随机Hopf分岔现象,随机扰动引发的大幅周期振动在驱动器输出中占有重要成分,直接影响驱动器的输出精度。通过调节系统参数,可以控制随机Hopf分岔现象,从而避免随机扰动引发的大幅周期振动,提高磁控形状记忆合金驱动器的输出精度。
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