基于虚功原理的Galfenol悬臂梁建模与带载特性研究

发布时间：2019-10-13 06:53

【摘要】：研究了带载条件下Galfenol驱动器的磁机耦合建模方法,利用离散型能量均分模型(Discrete energy-averaged model)对Galfenol的磁滞非线性和饱和非线性进行建模,可以同时描述合金对于磁场和应力的依赖性。采用虚功原理将能量均分模型与驱动器的结构模型进行动力学耦合,研究了带载条件下驱动器的输出特性,并对不同Galfenol覆盖比时驱动器的驱动能力进行了研究,将计算结果与稀土超磁致伸缩材料(Terfenol-D)和压电陶瓷进行了对比。研究结果表明,驱动器的带载能力随着Galfenol悬臂梁材料覆盖比的增加而增加,材料内部承受的张力也随之增大;Galfenol合金良好的机械性能可以克服负载增加时所承受的张力的变化,解决其他智能材料易产生的失效问题。
【图文】：

驱动的层压板驱动模型，可以描述静态和准静态磁场驱动时层压板内部应力和应变的变化，但这些建模方法都无法描述动态条件下Galfenol驱动器的响应，并且都局限于负载为空载时的响应。本文研究带载条件下Galfenol悬臂梁的动力学耦合建模方法，利用离散型能量均分模型(Discreteenergy-averagedmodel)对Galfenol的磁滞非线性和饱和非线性进行建模，采用虚功原理将能量均分模型与驱动器的结构模型进行动力学耦合，研究其带载时的输出特性。1悬臂梁结构驱动器1.1工作原理带载条件下具有悬臂梁结构的驱动器工作原理如图1所示，非导磁衬底与Galfenol薄片进行层压，，Galfenol合金在驱动磁场激励下产生磁致伸缩应变，从而带动负载f(t，x)对外输出位移，其末端位移可以表示为D=－12κL2(1)式中D———末端输出位移κ———悬臂梁曲率L———悬臂梁长度从式(1)可以看出，长度越大，则悬臂梁的输出位移越大。然而增加悬臂梁的长度，其刚度系数变小，带载能力将被减弱。长度L一定时，增加曲率κ可以获得更大的位移，然而材料内部所承受的张力也将增加，普通脆性较大的智能材料无法承受这样的载荷，提高驱动材料的机械强度，可以满足在大挠度条件下提高驱动器带载能力的需求。图1带载条件下驱动器工作原理Fig．1Workingprincipleofloadedactuator为了对驱动机构进行动力学建模，首先采用虚功原理建立机构的整体控制方程。由于驱动机构依靠Galfenol产生的磁致伸缩应变进行驱动，在整体控制方程中需要一个子模型来描述Galfenol合金的磁致伸缩特性。采用能量均分模型对合金的特性进行描述，进而耦合到机构的整体控制方程中，最后采用有限元方法对耦合方程进行数值求解。1.2机构整体动力学模型采用虚功原理对悬臂梁机构?

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本文编号：2548541