Galfenol復(fù)合懸臂梁磁機耦合建模及實驗研究.pdf

1、Galfenol合金是繼Terfenol-D、PZT等脆性材料之后開發(fā)的一種具有磁致伸縮效應(yīng)的智能材料，它具有優(yōu)越的機械加工性能和良好的熱穩(wěn)定性，可在惡劣工況下進行工作，有力地填補了傳統(tǒng)磁致伸縮材料與超磁致伸縮材料之間的空白，由其構(gòu)成的Galfenol復(fù)合懸臂梁是一種智能型器件，在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控、車輛主動振動控制、飛機機翼驅(qū)動與控制等交通信息工程領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。
　　在磁致伸縮變形過程中，Galfenol合金具有非線性

2、、磁滯性和耦合效應(yīng)等特征，而目前普遍采用的Jiles-Atherton模型、Preisach模型等方法對磁致伸縮材料進行非線性建模，無法完整描述Galfenol合金的磁致伸縮機理；同時Galfenol和外磁場，應(yīng)力場之間有復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系，怎樣理解和表征這些耦合關(guān)系，是一個迫切急需解決的關(guān)鍵科學問題。本文對此進行了有益的嘗試，在深入分析Galfenol材料建模的基礎(chǔ)上，研究其耦合到懸臂梁中的關(guān)鍵建模方法，并制作樣機進行實驗驗證，得到

3、一些有益的結(jié)論。本文的主要研究貢獻如下：
　　1、在Galfenol材料的本征建模過程中，利用材料的磁滯特性構(gòu)造其微觀磁化模型，在微觀模型的基礎(chǔ)上使用統(tǒng)計學理論建立其宏觀模型，并用數(shù)值求積公式求解宏觀模型的數(shù)值解，解決了內(nèi)核函數(shù)實現(xiàn)與積分離散化兩個關(guān)鍵性問題，采用高斯-勒讓德對積分進行求解，使用矩陣表示法實現(xiàn)內(nèi)核函數(shù)，以保證模型的計算精度。
　　2、在復(fù)合懸臂梁的優(yōu)化設(shè)計中，通過對Galfenol復(fù)合懸臂梁的密度函數(shù)求解體積

4、積分獲得其內(nèi)能函數(shù)，利用內(nèi)能最小原理將懸臂梁的撓度表示成厚度比和彈性模量的函數(shù)，并對撓度進行優(yōu)化設(shè)計，仿真研究表明，當厚度比較小時，撓度隨基底厚度減少單調(diào)增加，當撓度達最大值后，隨厚度比進一步增加，撓度開始減小,并將撓度和已有文獻的實驗進行對比研究。
　　3、在復(fù)合懸臂梁的磁機耦合建模過程中，將Galfenol本征模型與懸臂梁模型進行耦合，利用虛功原理在二維條件下建立復(fù)合懸臂梁的隱式非線性動力學模型，提出一種非線性數(shù)值求解方法，將

5、本文建立的復(fù)合懸臂梁動力學模型與現(xiàn)有模型進行對比研究，并通過實驗進行驗證，結(jié)果顯示數(shù)值算法誤差小，可靠程度高。
　　4、在Galfenol復(fù)合懸臂梁的實驗過程中，采用疊片結(jié)構(gòu)的磁路設(shè)計以盡量抑制渦流損耗，利用有限元對樣機磁路進行優(yōu)化設(shè)計，外部磁場、彎曲負載及鈹青銅層厚度三個參數(shù)被辨識，深入剖析復(fù)合懸臂梁的磁致伸縮機理，得出Galfenol合金在懸臂梁中受到拉伸和彎曲耦合作用的結(jié)論，可為進一步挖掘該懸臂梁的應(yīng)用提供實驗支持。