精密超磁致伸縮微位移驅(qū)動智能構(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)件的設計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-機三場耦合有限元分析模型、與電-磁-機三場耦合有限元模型相結(jié)合的多目標優(yōu)化設計方法、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。 第1章介紹加工活塞異形孔微位移驅(qū)動機構(gòu)研究現(xiàn)狀，在分析GMM執(zhí)行器(GMA)有限元建模、優(yōu)化設計、熱誤差消除策略及遲滯非線性控制基礎上，指出目前GMA設計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上，提出了適合工程設

3、計需要的GMM智能鏜桿構(gòu)件的電-磁-機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-機耦合。通過理論分析得出載流線圈的電-磁、GMM的磁-機耦合場弱解形式的有限元公式。模型在COMSOL3.4中實施，分析設計GMM智能鏜桿構(gòu)件的靜態(tài)變形和固有頻率及頻率響應。 第3章根據(jù)設計GMM智能鏜桿構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，提出了基于GMM電-磁-機三場耦合有限元的GMM智能鏜桿構(gòu)件

4、多目標優(yōu)化模型。模型優(yōu)化目標為：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)動線圈的電感、驅(qū)動線圈的響應時間常數(shù)和驅(qū)動線圈的效率常數(shù)。深入研究了多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ，并應用NSGA-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)了上述優(yōu)化模型。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設計了GMM智能鏜桿構(gòu)件。 第4章針對目前各種GMA熱誤差消除方法的特點，提出了GMM智能鏜桿構(gòu)件溫度控制方法-簡化強制水冷溫度控制，并給出了具體控制方案。在分析GMM智能鏜桿構(gòu)件強制水冷特

5、點基礎上，建立了GMM智能鏜桿構(gòu)件流-熱耦合有限元分析模型。應用此模型研究分析了所設計溫控系統(tǒng)，根據(jù)分析結(jié)果，設計了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?；A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)絡的輸入，鏜桿構(gòu)件的輸入驅(qū)動電流作為輸出，使GMM遲滯輸入和輸出之間一對多映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為一對一。在此基礎上，提出了遲滯非線性系統(tǒng)的CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡建模方法，并應用該CMAC網(wǎng)絡建立了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)件綜合實驗平臺。實驗研究智能鏜桿構(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)動磁場和位移關(guān)系。實驗分別研究了溫升對GMM智能鏜桿構(gòu)件電流位移關(guān)系、電流和驅(qū)動磁場以及驅(qū)動磁場和彎曲量關(guān)系的影響。本章的研究為提高GMM智能鏜桿構(gòu)件