超磁致伸缩电静液作动器温度场分布与热位移特性研究

发布时间：2017-10-05 05:17

  本文关键词：超磁致伸缩电静液作动器温度场分布与热位移特性研究

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【摘要】：相对传统机载液压系统中液压管路及附件遍布全机,超磁致伸缩电静液作动器(Giant Magnetostrictive Electro-Hydrostatic Actuator,简称GMEHA)具有结构紧凑,可靠性高以及易于维护等优点。但在高频长时工况下其核心部件超磁致伸缩执行器(Giant Magnetostrictive Actuator,简称GMA)因内部空间狭小散热性能差,产生的热量严重影响其有效位移输出精度。因此,本文面向GMEHA的工作特点与应用需求开展了GMA温度场分布以及热位移抑制的研究。首先,针对GMEHA中GMA结构特点与驱动要求建立了高频长时工况下GMA热功率损耗模型,即线圈电阻损耗模型、磁滞伸缩棒涡流损耗模型与磁滞损耗模型,通过求解上述损耗模型分析了GMA热功率损耗与驱动频率之间的映射关系,并搭建GMA热功率损耗实验测试平台,实验测得GMA热功率损耗与理论计算模型吻合良好。其次,基于长时间驱动下GMA发热严重问题提出了两种不同的冷却方式,即管式冷却和腔式冷却。利用FLUENT软件对管式冷却GMA进行热流耦合仿真,分析了不同线圈骨架、不同冷却水流速以及冷却管单一冷却与复合冷却作用时GMA稳态传热结果,结果表明采用尼龙骨架的GMA在双管复合冷却措施下具有较好的冷却效果;根据传热学理论构建了腔式冷却GMA稳态等效热阻模型,自然对流和强制对流条件下GMA热位移计算模型,通过求解上述数学模型分别得到不同工况下磁致伸缩棒温度分布以及GMA热位移与热流量分布规律。最后,在上述研究基础之上研制了试验样机,分别搭建腔式冷却GMA与管式冷却GMA温控实验平台并进行实验测试,实验测得结果与仿真计算结果相一致。其中,1A电流持续通电80min后,管式冷却GMA在主动温控作用下可将磁致伸缩棒温升控制在2℃以内,GMA热位移控制在6μm以内;腔式冷却GMA在主动温控作用下可将磁致伸缩棒温升控制在2℃以内,GMA热位移控制在8μm以内,而加入被动补偿机构后可将GMA热位移控制在1μm以内。
【关键词】：超磁致伸缩执行器 热功率损耗 有限元 传热 温度控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V245.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 论文研究背景及意义13-14
• 1.2 超磁致伸缩材料特性及其电静液作动器研究现状14-17
• 1.2.1 超磁致伸缩材料特性14-15
• 1.2.2 超磁致伸缩电静液作动器研究现状15-17
• 1.3 超磁致伸缩执行器热特性研究现状17-23
• 1.3.1 热损耗研究现状17-20
• 1.3.2 热抑制研究现状20-23
• 1.4 论文研究内容与结构安排23-25
• 1.4.1 论文主要研究内容23
• 1.4.2 论文组织结构安排23-25
• 第二章 超磁致伸缩电静液作动器热功率损耗模型与分析25-39
• 2.1 超磁致伸缩电静液作动器结构及其工作原理25-26
• 2.2 热功率损耗对作动器输出性能的影响26-27
• 2.3 热功率损耗理论模型与实验研究27-33
• 2.3.1 线圈电阻损耗27-28
• 2.3.2 涡流损耗28-29
• 2.3.3 磁滞损耗29-32
• 2.3.4 热功率损耗实验研究32-33
• 2.4 降低执行器热功率损耗的方法33-38
• 2.4.1 偏置磁场产生方式33-34
• 2.4.2 优化线圈尺寸结构34-35
• 2.4.3 超磁致伸缩材料涡流抑制方法35-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 基于管式冷却执行器的热场有限元仿真与分析39-53
• 3.1 传热学理论基础39-41
• 3.1.1 传热学理论基础39
• 3.1.2 热能传递基本方式39-40
• 3.1.3 定解条件40-41
• 3.2 仿真模型的建立41-43
• 3.2.1 建立几何模型并划分网格41
• 3.2.2 设置材料属性41-42
• 3.2.3 设置初始条件与边界条件42-43
• 3.3 稳态传热仿真结果分析43-52
• 3.3.1 不同驱动电流与频率时仿真结果分析43-44
• 3.3.2 不同线圈骨架材料时仿真结果分析44-47
• 3.3.3 冷却管单一冷却与复合冷却时仿真结果分析47-49
• 3.3.4 不同冷却水流速时仿真结果分析49-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 基于腔式冷却执行器的传热数学模型与数值分析53-67
• 4.1 腔式冷却执行器结构及工作原理53-54
• 4.2 稳态等效热阻模型54-56
• 4.3 稳态温度场及热位移计算模型56-61
• 4.3.1 线圈骨架传热模型56-57
• 4.3.2 自然对流条件时热位移计算模型57-60
• 4.3.3 强制对流条件时热位移计算模型60-61
• 4.4 理论模型计算61-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 超磁致伸缩执行器温控实验研究67-78
• 5.1 温控测试实验平台的搭建67-70
• 5.1.1 温控测试实验平台的总体设计67-69
• 5.1.2 温控实验平台软硬件设计69-70
• 5.2 管式冷却执行器温控实验结果分析70-74
• 5.2.1 无冷却措施时温控实验结果70-71
• 5.2.2 有冷却措施时温控实验结果71-74
• 5.3 腔式冷却执行器温控实验结果分析74-76
• 5.4 管式主动冷却与腔式主动冷却对比分析76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 论文总结78-79
• 6.2 工作展望79-80
• 参考文献80-85
• 致谢85-86
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文86

【参考文献】

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本文编号：974974