精密超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)智能構(gòu)件技術(shù)研究.pdf

1、異形孔結(jié)構(gòu)能夠顯著提高活塞的使用壽命，但由于異形孔結(jié)構(gòu)的特殊性，給異形孔的加工提出了難題。為了解決活塞異形孔加工這一難題，本文研究了一種新的加工方法-超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)智能鏜桿構(gòu)件。深入系統(tǒng)地研究了GMM智能鏜桿構(gòu)件的設(shè)計(jì)及精密位移控制等若干關(guān)鍵技術(shù)，如：GMM智能鏜桿構(gòu)件的電-磁-機(jī)三場耦合有限元分析模型、與電-磁-機(jī)三場耦合有限元模型相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、溫

2、度控制方法及其流-熱耦合溫度分布有限元分析模型、遲滯非線性建模和控制方法、溫度對(duì)GMM智能鏜桿構(gòu)件性能的影響，建立了GMM智能鏜桿構(gòu)件測試平臺(tái)。 第1章介紹加工活塞異形孔微位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀，在分析GMM執(zhí)行器(GMA)有限元建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱誤差消除策略及遲滯非線性控制基礎(chǔ)上，指出目前GMA設(shè)計(jì)研究中存在的一些問題，從而確定本文的研究內(nèi)容和選題意義。 第2章在分析目前GMM有限元模型研究不足的基礎(chǔ)上，提出了適合工程設(shè)

3、計(jì)需要的GMM智能鏜桿構(gòu)件的電-磁-機(jī)三場耦合分步有限元模型。為了減少求解自由度，將GMM電-磁-機(jī)耦合分解為：首先求解載流線圈產(chǎn)生磁場，然后求解GMM磁-機(jī)耦合。通過理論分析得出載流線圈的電-磁、GMM的磁-機(jī)耦合場弱解形式的有限元公式。模型在COMSOL3.4中實(shí)施，分析設(shè)計(jì)GMM智能鏜桿構(gòu)件的靜態(tài)變形和固有頻率及頻率響應(yīng)。 第3章根據(jù)設(shè)計(jì)GMM智能鏜桿構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，提出了基于GMM電-磁-機(jī)三場耦合有限元的GMM智能鏜桿構(gòu)件

4、多目標(biāo)優(yōu)化模型。模型優(yōu)化目標(biāo)為：GMM智能鏜桿構(gòu)件最大彎曲變形、一階固有頻率、GMM鏜桿構(gòu)件驅(qū)動(dòng)線圈的電感、驅(qū)動(dòng)線圈的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)和驅(qū)動(dòng)線圈的效率常數(shù)。深入研究了多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ，并應(yīng)用NSGA-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)了上述優(yōu)化模型。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)了GMM智能鏜桿構(gòu)件。 第4章針對(duì)目前各種GMA熱誤差消除方法的特點(diǎn)，提出了GMM智能鏜桿構(gòu)件溫度控制方法-簡化強(qiáng)制水冷溫度控制，并給出了具體控制方案。在分析GMM智能鏜桿構(gòu)件強(qiáng)制水冷特

5、點(diǎn)基礎(chǔ)上，建立了GMM智能鏜桿構(gòu)件流-熱耦合有限元分析模型。應(yīng)用此模型研究分析了所設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)，根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了GMM智能鏜桿構(gòu)件溫度控制系統(tǒng)。 第5章在深入分析遲滯非線性系統(tǒng)建模基礎(chǔ)上，通過將智能鏜桿構(gòu)件的輸出位移及其變化率作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，鏜桿構(gòu)件的輸入驅(qū)動(dòng)電流作為輸出，使GMM遲滯輸入和輸出之間一對(duì)多映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為一對(duì)一。在此基礎(chǔ)上，提出了遲滯非線性系統(tǒng)的CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，并應(yīng)用該CMAC網(wǎng)絡(luò)建立了GMM智能鏜桿

6、構(gòu)件的遲滯非線性模型。提出了基于CMAC和PD反饋相結(jié)合的GMM智能鏜桿構(gòu)件控制方法，仿真結(jié)果表明所提控制方法能實(shí)現(xiàn)GMM智能鏜桿構(gòu)件精密位移跟蹤控制。 第6章建立了基于虛擬儀器的GMM智能鏜桿構(gòu)件綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)研究智能鏜桿構(gòu)件靜態(tài)剛度、靜態(tài)電流位移關(guān)系、輸入電流和磁場關(guān)系、驅(qū)動(dòng)磁場和位移關(guān)系。實(shí)驗(yàn)分別研究了溫升對(duì)GMM智能鏜桿構(gòu)件電流位移關(guān)系、電流和驅(qū)動(dòng)磁場以及驅(qū)動(dòng)磁場和彎曲量關(guān)系的影響。本章的研究為提高GMM智能鏜桿構(gòu)件