拉索—磁致伸缩作动器作动力力学模型分析

作者:方聪;王修勇;黄佩; 刊名:湖南工程学院学报(自然科学版) 上传者:张静

【摘要】阐述了自制磁致伸缩作动器的设计原理,通过对拉索轴向刚度测量实验,得到了拉索轴向刚度,通过磁致伸缩作动器综合实验和力学性能研究,得到作动器激励电压与位移时程,进而得到作动器激励电压与输出力时程,最后运用最小二乘法拟合得到了激励电压与输出力之间的函数关系,即力-磁关系.研究表明:在拉索模型下,通过拉索的刚度和位移得到的作动器力磁关系更准确.

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0引言磁致伸缩材料是一种具有广泛应用前景的新型智能功能性材料.采用该种材料制作而成的驱动器/作动器具有响应时间短、输出力大、能量转换率高等特性,可以应用于能换器制造、大幅振动响应控制领域、精密仪器减振领域、精密控制领域.近年来,国内外对磁致伸缩致动器模型及其振动控制开展了大量研究.Reed等[1]设计了磁致伸缩作动器,并对框架结构的主动控制进行了研究;Tan等[2]研究了磁致伸缩作动器的力学特性,提出了一种利用Preisach算子描述的磁致伸缩作动器力学特性的正逆力学模型,并验证了该模型的有效性;Calkins等[3]通过分析二次畴转模型和Jiles-Atherton模型,提出了一种作动器磁滞模型组合模型,该模型含有较少的物理参数,为普通微分方程模型,容易实现于工程;曹淑瑛等[4]为了确定作动器磁在外界磁场作用下的磁应变,重点研究Jiles-Atherton模型和二次畴转模型;张磊等[5]主要是通过磁致伸缩作动器的数学建模与控制试验力学性能研究得到一种新的数值求解方法和近似线性控制方法,并进行了相应的理论与试验验证;张天飞等[6]自行研制和设计了一款了磁致伸缩作动器,进行了力学性能研究,并合理的应用于结构振动主动控制上,并取得了一定的效果;王修勇[7]等对超磁致伸缩作动器进行了有限元建模与磁场分析,进行了GMA的材料优化设计,保证了超磁致伸缩作动器提供较优的控制力.本文根据磁致伸缩材料的基本特性制作一种适用于拉索主动控制的磁致伸缩作动器,并设计和完成了磁致伸缩作动器力学性能实验,得到了作动器激励电压与输出力的关系,即力-磁关系.1磁致伸缩作动器模型超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型功能材料,在磁场作用下具有磁致伸缩现象、倍频效应、预压应力特性、迟滞现象、高频特性差、温度敏感现象以及力-磁耦合呈非线性[8].根据磁致伸缩材料的特性,设计制造出一款磁致伸缩作动器,其设计参数如表1所示,外形如图1所示,内部结构如图2所示.表1超磁致伸缩作动器的部分参数表参数名称参数值参数名称参数值GMM棒质量0.347kgGMM棒长度120mmGMM棒直径20mm漆包线直径1mmGMM杨氏模量2.61010激励线圈匝数1100偏置线圈匝数1300导磁内壁内径112mm图1磁致伸缩作动器外部构造1.输出杆,2.非导磁上盖,3.预压弹簧,4.导磁上盖,5.导磁体,6.偏置线圈骨架,7.激励线圈骨架,8.超磁致伸缩棒,9.导磁内壁,10.非导磁外壁,11.导磁下盖,12.非导磁下盖.其中导磁上盖和非导磁外壁上开有出线孔.图2磁致伸缩作动器内部结构图2磁致伸缩作动器力学性能实验设计自制的磁致伸缩作动器主要是为拉索减振实验提供轴向的主动控制力,如图3所示是实验拉索模型的整体布置.前期的研究表明[8],作动器的输出力与外加电源的磁场、预压力等有关系,同时在拉索减振实验中因为拉索刚度较小,磁致伸缩作动器出力小,采用力传感器难以准确测量作动器的输出力.为了得到磁致伸缩作动器准确的力磁模型,先测量拉索刚度,然后采集在拉索模型下作动器工作的激励电压与位移的时程,最后得到激励电压与输出力的时程,运用最小二乘法拟合得到作动器激励电压与输出力的函数关系式,即力-磁关系式.图3拉索整体布置图拉索刚度测量实验:微型拉压力传感器通过绳索固定于拉索末端,再通过滑轮悬挂小质量配重块,在器量程范围内逐步施加配重块,得到多组力与位移的数据.实验设计如图4所示,实验装置如图5所示.图4拉索轴向刚度测量设计图图5拉索轴向刚度测量装置拉索在小轴向拉力作用下产生轴向位移,通过微型拉压传感器测量轴向拉力的大小,同时通

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