非圆孔精密加工超磁致伸缩智能构件的设计方法研究及软件开发

论文摘要

活塞是汽车发动机的关键部件之一,其性能优劣将直接影响到发动机乃至整个动力、传动系统的性能指标。由于传统的圆形活塞销孔存在应力分布不均、易疲劳损坏等缺陷,故现在越来越多的采用非圆异形销孔的形式,非圆异形销孔可以有效地改善应力集中现象,增加活塞寿命。但是由于传统加工异形活塞销孔的方法存在缺陷,因此设计了一种超磁致伸缩智能构件用于加工活塞非圆销孔。超磁致伸缩智能构件是一种基于超磁致伸缩智能材料（Giant Magnetostrictive Material, GMM）的新型电-磁-机换能装置,作为一种具有高定位精度、高频率响应、大输出位移的执行器,广泛应用于超精密加工机床、超精密位置控制、精确位移传感器、振动控制等领域。论文首先在查阅国内外相关文献的基础上,介绍活塞异形销孔的加工技术和超磁致伸缩微位移执行器的研究现状,同时评述超磁致伸缩智能构件设计方法研究现状,指出进行相关研究的必要性,从而确定本文的研究内容和选题意义。之后着重介绍了嵌入式GMM微进给机构加工异形活塞销孔的原理,对其进行功能需求分析。以嵌入式GMM微进给机构为研究目标,分析其智能镗杆部分的机械性能和励磁线圈部分的励磁性能,研究影响其性能的各个因素,并且提出改进措施,确定非圆孔精密加工超磁致伸缩智能构件的总体结构方案。在确定总体结构方案后,针对智能镗杆部分,采用Ansys workbench有限元分析软件对其进行结构尺寸方面的优化,在静态设计的基础上进行动态的仿真验证,保证智能镗杆部分的机械性能。之后针对励磁机构方案展开相关设计参数的优化,在设计优化完成后采用多种方法验证设计结果的性能,保证励磁机构部分的电磁性能以及热性能满足整体需求。在完成上述工作后文章根据智能镗杆、励磁机构部分的设计过程总结出用于非圆孔加工的超磁致伸缩智能构件的设计方法和设计流程,同时采用神经网络和遗传算法进行相关的多目标优化,开发相关优化设计软件,便于后续研究的开展。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题提出的研究背景及意义
• 1.1.1 活塞异形销孔加工的研究背景及意义
• 1.1.2 超磁致伸缩智能构件的研究背景及意义
• 1.2 活塞异形销孔加工的研究现状
• 1.3 超磁致伸缩智能构件的研究现状
• 1.3.1 超磁致伸缩智能构件的国外研究现状
• 1.3.2 超磁致伸缩智能构件的国内研究现状
• 1.3.3 超磁致伸缩智能构件的设计方法研究现状
• 1.4 本文研究内容和结构
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 第2章 非圆孔精密加工GMM智能构件总体方案的研究建立
• 2.1 嵌入式GMM智能构件驱动加工异型销孔原理与功能需求分析
• 2.1.1 嵌入式GMM智能构件驱动加工异形销孔的径向微进给原理
• 2.1.2 非圆孔精密加工超磁致伸缩智能构件的功能需求分析
• 2.2 非圆孔精密加工GMM智能镗杆部分设计方案的研究确立
• 2.2.1 智能镗杆本体静弯曲刚度问题研究
• 2.2.2 智能镗杆本体动刚度问题研究
• 2.2.3 智能镗杆末端径向位移研究
• 2.2.4 智能镗杆性能参数辅助计算软件
• 2.2.5 智能镗杆部分设计方案的建立
• 2.3 非圆孔精密加工GMM智能构件励磁机构设计方案的研究确立
• 2.3.1 励磁机构的结构方案选择
• 2.3.2 导磁材料的选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 非圆孔精密加工GMM智能构件智能镗杆部分设计
• 3.1 GMM驱动棒的设计计算
• 3.2 柔性变形功能单元的设计与优化
• 3.3 超磁致伸缩智能构件镗杆本体部分动态机械性能验证
• 3.3.1 谐响应分析
• 3.3.2 谐响应的求解方法
• 3.3.3 完全法求解超磁致伸缩智能镗杆谐响应
• 3.4 智能镗杆整体（含GMM）模态仿真分析
• 3.5 超磁致伸缩智能构件GMM芯棒动态输出性能验证
• 3.5.1 基本参数
• 3.5.2 验证过程
• 3.5.3 GMM输出性能验证结论
• 3.6 本章小结
• 第4章 非圆孔精密加工GMM智能构件励磁机构部分设计
• 4.1 磁路的总体分析与设计
• 4.2 激励线圈的设计
• 4.2.1 轴对称线圈内部磁场的计算
• 4.2.2 激励线圈匝数和外径的确定
• 4.3 偏置线圈的设计与验证
• 4.4 励磁机构的整体仿真评估
• 4.4.1 激励偏置线圈叠加仿真
• 4.4.2 激励偏置线圈串联仿真
• 4.4.3 仿真结果分析
• 4.5 超磁致伸缩智能构件热分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 GMM智能构件磁机结构设计流程及设计软件开发
• 5.1 非圆孔精密加工超磁致伸缩智能构件磁机结构设计流程
• 5.1.1 非圆孔精密加工GMM智能构件智能镗杆部分设计流程
• 5.1.2 非圆孔精密加工GMM智能构件励磁线圈设计流程
• 5.2 非圆孔精密加工GMM智能构件磁机结构设计软件的开发
• 5.2.1 非圆孔精密加工GMM智能构件智能镗杆机械性能设计优化建模
• 5.2.2 非圆孔精密加工GMM智能构件励磁机构的电磁性能设计优化建模
• 5.2.3 非圆孔精密加工GMM智能构件机电磁性能的优化目标及约束
• 5.2.4 非圆孔精密加工GMM智能构件机电磁性能的多目标优化软件开发
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献