详情

原文传递 Galfenol复合悬臂梁磁机耦合建模及实验研究

论文题名：	Galfenol复合悬臂梁磁机耦合建模及实验研究
关键词：	Galfenol合金;磁致伸缩变形;复合悬臂梁;磁机耦合;非线性建模;桥梁健康监控
摘要：	Galfenol合金是继Terfenol-D、PZT等脆性材料之后开发的一种具有磁致伸缩效应的智能材料，它具有优越的机械加工性能和良好的热稳定性，可在恶劣工况下进行工作，有力地填补了传统磁致伸缩材料与超磁致伸缩材料之间的空白，由其构成的Galfenol复合悬臂梁是一种智能型器件，在桥梁结构健康监控、车辆主动振动控制、飞机机翼驱动与控制等交通信息工程领域中具有重要的应用前景。　　在磁致伸缩变形过程中，Galfenol合金具有非线性、磁滞性和耦合效应等特征，而目前普遍采用的Jiles-Atherton模型、Preisach模型等方法对磁致伸缩材料进行非线性建模，无法完整描述Galfenol合金的磁致伸缩机理；同时Galfenol和外磁场，应力场之间有复杂的非线性耦合关系，怎样理解和表征这些耦合关系，是一个迫切急需解决的关键科学问题。本文对此进行了有益的尝试，在深入分析Galfenol材料建模的基础上，研究其耦合到悬臂梁中的关键建模方法，并制作样机进行实验验证，得到一些有益的结论。本文的主要研究贡献如下：　　1、在Galfenol材料的本征建模过程中，利用材料的磁滞特性构造其微观磁化模型，在微观模型的基础上使用统计学理论建立其宏观模型，并用数值求积公式求解宏观模型的数值解，解决了内核函数实现与积分离散化两个关键性问题，采用高斯-勒让德对积分进行求解，使用矩阵表示法实现内核函数，以保证模型的计算精度。　　2、在复合悬臂梁的优化设计中，通过对Galfenol复合悬臂梁的密度函数求解体积积分获得其内能函数，利用内能最小原理将悬臂梁的挠度表示成厚度比和弹性模量的函数，并对挠度进行优化设计，仿真研究表明，当厚度比较小时，挠度随基底厚度减少单调增加，当挠度达最大值后，随厚度比进一步增加，挠度开始减小,并将挠度和已有文献的实验进行对比研究。　　3、在复合悬臂梁的磁机耦合建模过程中，将Galfenol本征模型与悬臂梁模型进行耦合，利用虚功原理在二维条件下建立复合悬臂梁的隐式非线性动力学模型，提出一种非线性数值求解方法，将本文建立的复合悬臂梁动力学模型与现有模型进行对比研究，并通过实验进行验证，结果显示数值算法误差小，可靠程度高。　　4、在Galfenol复合悬臂梁的实验过程中，采用叠片结构的磁路设计以尽量抑制涡流损耗，利用有限元对样机磁路进行优化设计，外部磁场、弯曲负载及铍青铜层厚度三个参数被辨识，深入剖析复合悬臂梁的磁致伸缩机理，得出Galfenol合金在悬臂梁中受到拉伸和弯曲耦合作用的结论，可为进一步挖掘该悬臂梁的应用提供实验支持。　　本文采用理论建模、数字仿真与实验验证相结合的研究路线，取得研究内容与创新成果有效地解决了Galfenol合金的磁滞建模与复合悬臂梁的动力学响应等关键问题，对交通信息工程及控制领域其他智能材料复合悬臂梁的非线性建模亦有借鉴意义。
作者：	曹清华
专业：	交通信息工程及控制
导师：	李文锋;李立杰;陈定方
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文