面向水轮机调速的Terfenol-D复合悬臂梁式片阀研究

发布时间：2017-08-04 10:23

  本文关键词：面向水轮机调速的Terfenol-D复合悬臂梁式片阀研究

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【摘要】：水轮机调速器是水电站系统中的核心硬件，其性能直接影响着发电量的品质，而阀又是水轮机调速器中的重要组成部分，国内外已采用及改进多种算法提升了水轮机调速器的调节精度，研制高精度控制伺服阀体是进一步对其精度的整体提升的基石，结合目前国内外研制精密器件的话题，本文采用了超磁致伸缩材料研发了一种精密阀片。超磁致伸缩材料具备应变大、精度高、响应速度快及可靠性高的性能优势，目前已普遍应用于传输与控制精密流体，精密数控机床加工等应用领域。超磁致伸缩材料的磁滞非线性及复杂的本构关系添加了其应用的难度，多物理场的耦合致使了对其理论研究的困难加大，目前常用的商业有限元软件ANSYS，COMSOLMultipysics等也仅针对压电材料电-机耦合，未涉及超磁致伸缩材料。 论文以精密阀片技术为背景，简述水电站发电品质的基本知识、阀的种类、超磁致伸缩材料的性能原理及其国内外将该材料应用于阀的研究状况，接着利用Terfenol-D材料对阀片及驱动结构进行了设计，确定了各部分的材料与尺寸，论文使用了Jiles-Atherton材料模型对超磁致伸缩材料磁滞非线性特性进行了描述，结合COMSOL Multipysics仿真软件对阀片的磁-机非线性耦合模型进行了求解进而获得了阀片的应力分布及总位移量，，实验数据显示非线性耦合仿真值与实测值具有一定的偏差，较合理，并对阀片模型进行结构优化设计，搭建实验平台对优化后的阀片加工样机进行了测试实验，最后利用论文设计的阀片提出了两种流量控制阀及一种双喷嘴伺服阀的结构原理图。
【关键词】：水轮机 调速器 伺服阀 超磁致伸缩材料 有限元 非线性耦合
【学位授予单位】：南昌工程学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730.41
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-18
• 1.1 本文研究背景7-12
• 1.1.1 水轮机调节概述7-8
• 1.1.2 液压阀简介8-10
• 1.1.3 传统电液伺服阀10
• 1.1.4 新型电液伺服阀10-12
• 1.2 超磁致伸缩材料及其应用12-15
• 1.2.1 超磁致伸缩机理12-13
• 1.2.2 超磁致伸缩材料及其性能13-14
• 1.2.3 超磁致伸缩材料的应用14-15
• 1.3 国内外超磁致伸缩阀研究概况15-17
• 1.4 论文研究的意义及内容17-18
• 第2章 阀片结构的设计18-30
• 2.1 阀片的工作机理18-19
• 2.2 阀片结构的设计19-24
• 2.2.1 Terfenol-D 薄片的选取19-20
• 2.2.2 阀片基底材料的选取及工艺处理20-22
• 2.2.3 驱动阀片的制作22-24
• 2.3 驱动电磁线圈结构的设计24-27
• 2.3.1 驱动结构磁路的设计及材料的选取24-25
• 2.3.2 线圈基本参数的确定25-26
• 2.3.3 线圈线径的选择26-27
• 2.3.4 组芯的设计27
• 2.4 驱动结构的有限元分析27-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 阀片磁机模型的研究30-39
• 3.1 磁滞现象30
• 3.2 Jiles-Atherton 基本磁滞理论30-34
• 3.2.1 Weiss 铁磁分子场理论30-31
• 3.2.2 经典 Jiles-Atherton 磁滞模型31-32
• 3.2.3 经典 Jiles-Atherton 磁滞模型的求解32-34
• 3.2.4 改进后静态 Jiles-Atherton 磁滞模型34
• 3.3 阀片动力学模型的建立34-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第4章 阀片耦合模型的求解39-52
• 4.1 有限元分析理论基础39-41
• 4.1.1 电磁场基本理论39-40
• 4.1.2 结构力学基本理论40-41
• 4.2 阀片非线性输出特性的有限元分析41-49
• 4.2.1 COMSOL Multiphysics 软件41-42
• 4.2.2 模型求解思路42-43
• 4.2.3 模型求解过程43-49
• 4.2.4 阀片的模态分析49
• 4.3 阀片及其驱动结构的优化49-51
• 4.3.1 样机的实验与仿真对比49-50
• 4.3.2 阀片及驱动结构优化50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 阀片的实验测试与应用研究52-61
• 5.1 实验测试平台的搭建52-56
• 5.1.1 实验样机加工52
• 5.1.2 实验仪器及设备52-54
• 5.1.3 实验测试平台54-56
• 5.2 阀片的实验研究与讨论56-58
• 5.3 阀片的应用研究58-60
• 5.3.1 阀片在主动阀的应用58-59
• 5.3.2 阀片在伺服阀的应用设计59-60
• 5.4 本章小结60-61
• 第6章 总结与展望61-63
• 6.1 总结61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果66
• 1. 攻读硕士期间参加科研项目情况66
• 2. 发表论文66
• 3. 获取专利66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 奚利飞,郑俊萍,张红磊,杨学稳,姚康德;智能材料的研究现状及展望[J];材料导报;2003年S1期

2 魏守平,罗萍,卢本捷;我国水轮机数字式电液调速器评述[J];水电自动化与大坝监测;2003年05期

3 米智楠,钱晋武,龚振邦,李e

本文编号：619038