考虑磁机耦合的超磁致伸缩EHA非线性动力学建模及实验研究

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超磁致伸缩材料Terfenol-D具有磁致伸缩应变大、工作频宽宽、响应速度快以及定位精度高等优良特性,是研制小型化高频宽电静液作动器的理想驱动元件。超磁致伸缩电静液作动器利用单向阀的流体整流功能将超磁致伸缩材料的小的高频振动放大到液压缸的大位移运动中。虽然前人基于此原理已研制了智能型电静液作动器,但是这些作动器工作频率仅限于其驱动材料可用带宽的一小部分。基于此,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D为驱动元件研制了一款超磁致伸缩电静液作动器,并从理论建模和实验测试两个方面展开了相关研究:(1)根据超磁致伸缩电静液作动器的工作原理以及材料相关特性,提出了作动器的整体设计方案,详细地探讨了相关结构和零部件的功能特性和设计要求。并针对作动系统实验测试过程中所涉及的相关要求,对作动器相关结构进行了优化。(2)基于Jiles-Atherton模型和“接近原理”建立了超磁致伸缩材料TerfenolD的磁机耦合模型,描述了Terfenol-D在应力和磁场作用下的动态特性。并分析了在应力和磁场综合作用下材料的磁化强度、磁致伸缩应变以及弹性模量的变化规律。(3)在已建立的磁机耦合模型的基础上,基于机械动力学和流体力学等理论建立了作动器系统级动态输出模型,根据电液模拟理论以及单向阀的流固耦合特性建立了流体系统的动力学模型,并将流体有效体积弹性模量处理为压力的函数,描述了流体体积弹性模量和密度对于作动器输出性能的影响。采用四阶龙格-库塔法对模型进行迭代求解,计算结果表明了输入电流、工作频率、预应力、偏置压力以及带动负载等因素对于超磁致伸缩电静液作动器输出性能的影响。(4)加工制造了超磁致伸缩电静液作动器实验样机并搭建了实验测试平台,对作动器进行了测试,测试数据与仿真计算结果吻合良好,验证了所建立模型的准确性。测试结果表明作动器输出速度随驱动频率呈双峰变化趋势,且随着偏置压力增加,峰值频率上升,当偏压为2.6 MPa时,达到最佳输出水平。
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