超磁致伸缩换能器耦合磁弹性理论及车削加工应用研究

论文摘要

采用超磁致伸缩换能器驱动的非圆型面精密加工刀架,具有结构简单紧凑、重复精度高、无间隙、刚性好、传动惯性小、工作稳定性好等优点,既可实现无模体自动控制高精密加工,克服传统硬靠模法的缺点,又可克服以电磁力推动车刀进给的软靠模方法精度差的缺点,更适用于复杂型线或硬质基体的加工。因此,将为高精机械设备制造业带来加工方式的重大变革。但超磁致伸缩换能器在实际应用中涉及非线性振动、磁弹性动力学、精密机械加工、自动控制等诸多学科的交叉,材料内部的磁滞回、涡流、磁机耦合、以及在磁场作用下的温升等非线性问题,是导致使超磁致伸缩换能器微动精度不高、制约超磁致伸缩换能器理论研究和实际应用的关键技术难题。虽然在众多研究者的努力下,超磁致伸缩材料器件的理论研究取得了一定的成绩,但是,大部分研究主要集中在磁致伸缩组件的磁化和控制理论的研究,相关的理论建模主要集中在对微机械特性、非线性磁滞回特性近似方法以及基于热平衡的磁畴理论等方面。近年来的磁致伸缩模型则主要是基于典型的能量基础理论来量化介于晶格间的原子力矩,或通过构建扩展多项式来量化磁致伸缩现象,而很少有结果是可普遍用于描述磁致伸缩材料的非线性耦合磁弹性特性的。由输入场确定磁致伸缩应变的非线性模型,在用来描述超磁致伸缩材料的耦合磁弹性问题上,相关文献曾提及过,但在用于描述车削加工的磁致伸缩换能器的应变模型及近似方法上仍是不足的。基于上述原因,本文展开了对超磁致伸缩材料非线性特性和用于车削加工的超磁致伸缩换能器磁机耦合问题的研究,为超磁致伸缩换能器在非圆型面车削加工领域的应用提供了理论基础,具有重要的理论和应用价值。主要研究内容如下：1、通过超磁致伸缩车削刀架性能实验,分析电流（磁场强度）及预压力对超磁致伸缩材料变形量的影响,从中找出电流强度、预压力与超磁致伸缩材料伸缩量相互间的函数关系。2、通过对活塞裙面变椭圆截面及中凸型线的成型理论分析,解决了插值过程中出现的由端点处二阶导数引起的插值波动问题。通过对椭圆截面和中凸型面加工轨迹的合成,建立了超磁致伸缩活塞车削系统的模拟加工轨迹,首次提出了活塞中凸变型面的超磁致伸缩车削加工机理,并建立了活塞型面加工所需的数据文件。3、根据压磁理论,对稳态磁场作用下换能器系统进行分析,引入了预压弹簧的非线性特性,提出了含有平方、立方非线性项的超磁致伸缩换能器系统力学模型,并分析讨论了力学模型可能存在的混沌现象。通过动态仿真和数值模拟对换能器系统进行理论分析,确立了影响换能器系统非线性特性的主要因素。4、利用Maxwell’s方程提出了含有材料特性参数的内部磁场分布函数,建立了超磁致伸缩材料内部磁场表达式,首次将材料特性参数引入了材料内部磁场分析过程中。并分析讨论了影响材料内部磁场分布的主要影响因素。5、基于所建立的超磁致伸缩材料内部磁场分布函数,改进了Jiles-Atherton非线性滞回模型,将超磁致伸缩材料内部磁场特性引入了滞回特性的分析过程中。通过分析讨论材料参数和涡流对滞回特性的影响,表明在较高激励频率作用下,应充分考虑材料内部的磁场分布特性。6、根据磁弹性理论,综合考虑超磁致伸缩材料的特性参数、材料内部磁场分布和偏置磁场的影响,提出了超磁致伸缩换能器耦合磁弹性理论模型,建立了复系数位移分布方程。在不同边界条件下,对理论模型进行了分析讨论。通过仿真结果与文献实验测试结果的比较,验证了理论模型的合理性。并在不同参数条件下,分析讨论了相关因素对换能器输出性能的影响。7、在对超磁致伸缩材料输出端位移假设的基础上,提出了以输出顶杆为研究对象、考虑材料内部特性及预压弹簧特性的换能器非线性动力学模型。通过动态仿真,分析讨论了换能器主要结构参数对非线性模型的影响。并根据实际加工对输出位移的需求,结合线性化理论,确定了换能器所需的输入。在分析方法上,将Simulink仿真系统引入到超磁致伸缩换能器系统动力学仿真分析过程中,取得了良好的分析效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 超磁致伸缩材料的发展简史
• 1.1.2 超磁致伸缩材料的性能及工作机理
• 1.1.3 超磁致伸缩材料的应用
• 1.1.3.1 超磁致伸缩材料在磁（电）—声转换技术中的应用
• 1.1.3.2 超磁致伸缩材料在磁（电）—机转换技术中的应用
• 1.1.3.3 在传感器方面的应用
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 非圆型面零件车削加工驱动方式的研究现状
• 1.2.2 超磁致伸缩材料内部磁场研究现状
• 1.2.3 超磁致伸缩材料滞回特性研究现状
• 1.2.4 超磁致伸缩材料器件数学模型的研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容及理论和现实意义
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 理论和现实意义
• 第二章 超磁致伸缩车削加工刀架特性实验
• 2.1 实验理论基础
• 2.1.1 实验理论依据
• 2.1.2 超磁致伸缩车削加工刀架激励磁场分析
• 2.1.2.1 换能器激励线圈内部坐标变换函数
• 2.1.2.2 线圈轴线上的磁场
• 2.1.2.3 用于车削加工的换能器激励线圈内部磁场强度的计算
• 2.1.3 最大预压力的确定
• 2.2 超磁致伸缩刀架特性实验
• 2.3 实验结果分析
• 2.3.1 预压力对磁致伸缩值的影响
• 2.3.2 电流对磁致伸缩值的影响
• 2.3.3 机电耦合系数的测量
• 2.4 结论
• 第三章 超磁致伸缩车削加工机理研究
• 3.1 中凸变型面车削成型运动分析
• 3.2 活塞裙部超磁致伸缩车削加工原理
• 3.3 活塞裙部中凸变型面数学描述
• 3.3.1 活塞裙部椭圆截面数学表示
• 3.3.2 活塞裙部中凸型线数学表示
• 3.4 活塞裙部超磁致伸缩车削加工实现原理
• 3.4.1 活塞裙部中凸变椭圆截面车削加工实现原理
• 3.4.1.1 中凸变椭圆截面加工数据的生成
• 3.4.1.2 中凸变椭圆型线的加工原理
• 3.4.2 活塞裙面中凸型面的车削加工实现原理
• 3.4.2.1 中凸型面加工数据文件的生成
• 3.4.2.2 中凸型线的多项式拟合
• 3.4.2.3 中凸型面的加工实现原理
• 3.5 实验结果
• 3.6 结论
• 第四章 超磁致伸缩换能器几何非线性研究
• 4.1 超磁致伸缩换能器非线性特性的引入
• 4.1.1 碟簧特性分析
• 4.1.2 碟形弹簧的负荷应力计算公式
• 4.2 超磁致伸缩换能器系统非线性模型
• 4.3 换能器系统非线性模型近似解析分析
• 4.4 非线性系统混沌特性分析
• 4.5 超磁致伸缩换能器非线性数值模拟
• 4.6 结论
• 第五章 超磁致伸缩材料非线性特性分析
• 5.1 不考虑超磁致伸缩材料特性参数的材料内部磁场分布
• 5.1.1 不考虑材料特性参数的内部磁场函数
• 5.1.2 不考虑材料特性参数的内部磁场分析
• 5.1.3 超磁致伸缩材料内部涡流损耗分析
• 5.2 考虑超磁致伸缩材料特性参数的材料内部磁场分布
• 5.2.1 考虑材料特性参数的内部磁场分析
• 5.2.2 超磁致伸缩材料特性参数对内部磁场的影响
• 5.2.3 考虑特性参数时的材料内部涡流损耗分析
• 5.3 超磁致伸缩材料滞回特性分析
• 5.3.1 Jiles-Atherton磁化模型
• 5.3.2 考虑磁场分布特性的材料滞回特性
• 5.4 结论
• 第六章 超磁致伸缩换能器耦合磁弹性模型
• 6.1 超磁致伸缩换能器磁弹性模型
• 6.2 自由输出条件下模型分析
• 6.2.1 自由输出条件下的边界条件
• 6.2.2 自由输出条件下的模型分析
• 6.2.3 自由输出条件下的模型结果分析
• 6.3 车削加工输出条件下模型分析
• 6.3.1 车削加工输出条件下的边界条件
• 6.3.2 车削加工切削力模型
• 6.3.3 车削加工边界下模型分析
• 6.4 结论
• 第七章 超磁致伸缩换能器动力学模型
• 7.1 线性预压弹簧作用下的换能器动力学模型
• 7.1.1 动力学模型的建立
• 7.1.2 动力学模型的动态仿真
• 7.2 给定车削加工所需输入的确定
• 7.3 非线性预压弹簧作用下的换能器动力学模型
• 7.4 材料滞回特性对动力学模型的影响
• 7.4.1 考虑材料滞回特性的换能器动力学模型
• 7.4.2 动力学模型动态仿真
• 7.4.2.1 线性预压弹簧作用下动力学模型仿真
• 7.4.2.2 非线性预压弹簧作用下非线性模型仿真
• 7.4.2.3 仿真结果分析
• 7.5 结论
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 攻读博士学位期间发表的论文和科研情况