超磁致伸缩换能器滞回非线性模型的研究

论文摘要

在磁致伸缩效应及逆磁致伸缩效应下,超磁致伸缩换能器的输入与输出均存在着显著的磁机耦合和滞回非线性行为。为了设计及使用器件,必须建立其准确的数学模型。本文对换能器的滞回非线性模型进行了深入研究,取得了以下成果:1.基于二次畴转磁致伸缩模型和无滞回磁化强度模型,将线性压磁方程扩展为一个非线性本构模型I。利用此本构模型I和一种利用热力学关系建立的非线性本构模型II对超磁致伸缩材料的磁机耦合实验非线性行为进行了模拟,比较分析了它们的性能,为建立换能器的磁机耦合滞回非线性模型提供了理论依据。2.为了得到基于Jiles-Atherton的超磁致伸缩换能器滞回模型的最佳参数,提出了梯度算法与混合编码遗传算法相结合的四个混合遗传算法,即GATR1、GALM1、GATR2和GALM2。仿真与实验结果表明GATR1能自动准确地辨识滞回模型在不同频率下的参数,从而可将该滞回模型扩展为一个能在广阔频率范围内准确描述换能器外加磁场和输出应变之间关系的动态滞回模型。3.基于非线性本构模型II、Weiss铁磁理论、Jiles-Atherton模型、Bertotti损耗统计物理理论和换能器结构动力学原理建立了超磁致伸缩换能器在外加磁场作用下的磁机耦合动态滞回非线性模型。模型计算结果与实验结果对比,验证了所建模型能在广阔工作条件（不同偏置磁场、不同驱动频率和不同预应力）下,描述换能器的外加磁场与输出磁化强度、应变的磁机耦合动态滞回特性,对换能器的性能估计和控制器设计具有重要的指导意义。4.推出在各种输入变化情况下,Preisach模型记忆曲线顶点矩阵的更新算式,建立了以记忆曲线顶点坐标矩阵为基础的Preisach类神经网络超磁致伸缩换能器滞回模型。仿真结果表明,该模型消除了传统Preisach模型对输入信号的限制条件,能预测换能器在复杂外加磁场下,输出磁化强度和位移的滞回特性。5.基于Jiles-Atherton模型、磁机械效应方法定律和磁路定律,建立了一个超磁致伸缩磁力控制器的滞回模型。模型计算结果与实验结果对比,表明该模型能较好地描述在变化应力和恒定偏置磁场作用下,磁力控制器输入应力与输出磁化强度及磁力的滞回关系,并可以预测偏置磁场对器件输出性能的影响,从而对基于逆磁致伸缩效应的磁致伸缩换能器的设计与分析具有重要的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 超磁致伸缩材料
• 1.1.2 超磁致伸缩换能器
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超磁致伸缩材料本构模型研究
• 1.2.2 超磁致伸缩换能器模型研究
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 超磁致伸缩材料的特性及非线性本构模型
• 2.1 超磁致伸缩材料的特性
• 2.1.1 材料的磁致伸缩效应特性
• 2.1.2 材料的逆磁致伸缩效应特性
• 2.2 超磁致伸缩材料的非线性本构模型
• 2.2.1 非线性本构模型I
• 2.2.2 非线性本构模型II
• 2.3 计算结果与分析
• 2.3.1 磁致伸缩效应特性
• 2.3.2 逆磁致伸缩效应特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Jiles-Atherton的超磁致伸缩换能器滞回非线性模型参数辨识
• 3.1 引言
• 3.2 换能器的结构与工作原理
• 3.3 换能器的滞回非线性模型
• 3.4 滞回非线性模型参数辨识算法
• 3.4.1 模型参数辨识原理
• 3.4.2 梯度算法
• 3.4.3 混合编码遗传算法
• 3.4.4 梯度算法与混合编码遗传算法的结合
• 3.5 仿真结果与分析
• 3.6 实验验证与分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 超磁致伸缩换能器的磁机耦合动态滞回非线性模型
• 4.1 引言
• 4.2 换能器磁机耦合动态滞回非线性模型
• 4.2.1 全局无滞回磁化强度模型
• 4.2.2 静态磁化强度滞回模型
• 4.2.3 动态磁化强度滞回模型
• 4.2.4 磁致伸缩和非线性应变模型
• 4.2.5 结构动力学模型
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 不同频率下的滞回非线性特性
• 4.3.2 不同外加磁场下的滞回非线性特性
• 4.3.3 不同预应力下的滞回非线性特性
• 4.3.4 复杂谐波磁场下的滞回非线性特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于Preisach类神经网络的超磁致伸缩换能器滞回非线性模型
• 5.1 引言
• 5.2 基于Preisach类神经网络的换能器滞回非线性模型
• 5.2.1 换能器的滞回非线性模型结构
• 5.2.2 经典Preisach 模型
• 5.2.3 经典Preisach数值模型
• 5.2.4 Preisach类神经网络模型
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于逆磁致伸缩效应的超磁致伸缩磁力控制器滞回非线性模型
• 6.1 引言
• 6.2 超磁致伸缩磁力控制器的滞回非线性模型
• 6.2.1 磁化强度模型
• 6.2.2 磁力模型
• 6.3 模型的数值求解及参数辨识
• 6.3.1 模型的数值求解
• 6.3.2 模型的参数辨识
• 6.4 与以前模型的比较
• 6.5 结果与分析
• 6.6 本章小结
• 第七章总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢