【摘要】：研究了帶載條件下Galfenol驅(qū)動器的磁機耦合建模方法,利用離散型能量均分模型(Discrete energy-averaged model)對Galfenol的磁滯非線性和飽和非線性進(jìn)行建模,可以同時描述合金對于磁場和應(yīng)力的依賴性。采用虛功原理將能量均分模型與驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動力學(xué)耦合,研究了帶載條件下驅(qū)動器的輸出特性,并對不同Galfenol覆蓋比時驅(qū)動器的驅(qū)動能力進(jìn)行了研究,將計算結(jié)果與稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)和壓電陶瓷進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明,驅(qū)動器的帶載能力隨著Galfenol懸臂梁材料覆蓋比的增加而增加,材料內(nèi)部承受的張力也隨之增大;Galfenol合金良好的機械性能可以克服負(fù)載增加時所承受的張力的變化,解決其他智能材料易產(chǎn)生的失效問題。
【圖文】：

驅(qū)動的層壓板驅(qū)動模型，可以描述靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)磁場驅(qū)動時層壓板內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變的變化，但這些建模方法都無法描述動態(tài)條件下Galfenol驅(qū)動器的響應(yīng)，并且都局限于負(fù)載為空載時的響應(yīng)。本文研究帶載條件下Galfenol懸臂梁的動力學(xué)耦合建模方法，利用離散型能量均分模型(Discreteenergy-averagedmodel)對Galfenol的磁滯非線性和飽和非線性進(jìn)行建模，采用虛功原理將能量均分模型與驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動力學(xué)耦合，研究其帶載時的輸出特性。1懸臂梁結(jié)構(gòu)驅(qū)動器1.1工作原理帶載條件下具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器工作原理如圖1所示，非導(dǎo)磁襯底與Galfenol薄片進(jìn)行層壓，，Galfenol合金在驅(qū)動磁場激勵下產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)變，從而帶動負(fù)載f(t，x)對外輸出位移，其末端位移可以表示為D=－12κL2(1)式中D———末端輸出位移κ———懸臂梁曲率L———懸臂梁長度從式(1)可以看出，長度越大，則懸臂梁的輸出位移越大。然而增加懸臂梁的長度，其剛度系數(shù)變小，帶載能力將被減弱。長度L一定時，增加曲率κ可以獲得更大的位移，然而材料內(nèi)部所承受的張力也將增加，普通脆性較大的智能材料無法承受這樣的載荷，提高驅(qū)動材料的機械強度，可以滿足在大撓度條件下提高驅(qū)動器帶載能力的需求。圖1帶載條件下驅(qū)動器工作原理Fig．1Workingprincipleofloadedactuator為了對驅(qū)動機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)建模，首先采用虛功原理建立機構(gòu)的整體控制方程。由于驅(qū)動機構(gòu)依靠Galfenol產(chǎn)生的磁致伸縮應(yīng)變進(jìn)行驅(qū)動，在整體控制方程中需要一個子模型來描述Galfenol合金的磁致伸縮特性。采用能量均分模型對合金的特性進(jìn)行描述，進(jìn)而耦合到機構(gòu)的整體控制方程中，最后采用有限元方法對耦合方程進(jìn)行數(shù)值求解。1.2機構(gòu)整體動力學(xué)模型采用虛功原理對懸臂梁機構(gòu)?

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