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超磁致伸缩换能器若干非线性特性研究

作　者: 潘冬花
导　师: 袁惠群
学　校: 东北大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 超磁致伸缩换能器 非线性磁滞回模型 耦合磁弹性 动力学模型 非线性振动 非线性压磁方程
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


以Terfeno1-D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新型高效磁(电)-机械(声)转换材料,性能远优于压电陶瓷等其他材料。这种材料具有大应变、高功率密度及高精度、快速响应和高可靠性等优点,被广泛应用于超磁致伸缩换能器。但是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、精密机械加工等诸多学科的交叉,材料内部的磁滞回、涡流等非线性问题,是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。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弹性耦合问题的研究,为超磁致伸缩换能器在车削加工领域的应用提供了理论基础。本文主要研究内容如下：(1)超磁致伸缩换能器的外加磁场与输出位移存在着显著的磁滞非线性现象,导致磁滞非线性的主要原因是超磁致伸缩材料的非线性本构关系。以第一类非线性压磁方程和线性压磁方程作为边界条件,来研究超磁致伸缩棒的纵向振动,为换能器磁滞非线性的控制和换能器的设计分析奠定了理论基础。(2)根据预压弹簧的非线性特性,研究了弹簧的平方、立方的几何非线性；同时考虑材料本身的滞回非线性,引入滞回模型。综合考虑以上两种非线性,建立超磁致伸缩换能器的动力学模型,利用近似解析方法对动力学模型的非线性特性进行分析,并通过数值模拟的方法,确立影响换能器系统非线性特性的主要因素。(3)在车削加工条件下,分别考虑弹簧的几何非线性和材料的滞回非线性,建立了将磁致伸缩兄进行不同处理时的换能器动力学模型；利用数值的方法,讨论了各参数对响应输出的影响,并且对各种动力学模型进行了比较。(4)由于材料本身存在着滞回非线性,利用位移速度三次方滞回模型来模拟材料本身的滞回,建立换能器的双自由度滞回动力学模型,利用解析和数值的方法,求解此时的换能器输出响应,并讨论各参数对频响曲线的影响和单双自由度两种系统下响应输出的比较。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 研究背景  10-15
    1.1.1 超磁致伸缩材料的发展简史  10-11
    1.1.2 超磁致伸缩材料的性能表征  11-12
    1.1.3 超磁致伸缩材料的工作机理  12-13
    1.1.4 超磁致伸缩材料的基本特性  13-15
  1.2 研究和应用现状  15-20
    1.2.1 在超精密加工中的应用  15-17
    1.2.2 在流体机械中的应用  17-18
    1.2.3 在声纳系统中的应用  18-20
    1.2.4 在传感器中的应用  20
  1.3 本文研究的意义和主要内容  20-21
    1.3.1 课题研究的意义  20
    1.3.2 本论文的主要内容  20-21
  1.4 本章小结  21-22
第2章 超磁致伸缩材料的磁滞非线性特性  22-40
  2.1 非线性边界条件下超磁致伸缩棒纵向振动解析解  22-29
  2.2 线性边界条件下超磁致伸缩棒纵向振动解析解  29-32
  2.3 两种边界条件下输出响应的比较  32-33
  2.4 超磁致伸缩棒受迫振动的解析解  33-38
  2.5 本章小结  38-40
第3章 换能器的几何与滞回非线性特性  40-56
  3.1 Jiles-Atherton模型  40-43
  3.2 超磁致伸缩换能器车削模型下的解析解  43-49
  3.3 非线性系统的混沌特性分析  49-51
  3.4 超磁致伸缩换能器输出响应的数值解  51-55
    3.4.1 材料参数对输出响应的影响  52-54
    3.4.2 解析解和数值解的比较  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第4章 超磁致伸缩换能器的响应分析  56-72
  4.1 磁致伸缩与磁场强度线性化时的输出响应  56-63
    4.1.1 非线性预压弹簧作用下的换能器响应  56-62
    4.1.2 线性预压弹簧作用下的换能器响应  62-63
  4.2 考虑材料滞回特性时换能器的输出响应  63-68
    4.2.1 非线性预压弹簧下的数值分析  63-67
    4.2.2 线性预压弹簧下的数值分析  67-68
  4.3 磁致伸缩不同处理时各响应之间的比较  68-70
  4.4 本章小结  70-72
第5章 换能器的双自由度滞回模型  72-92
  5.1 位移速度三次方滞回模型  72-73
  5.2 换能器位移速度三次方滞回动力学模型  73-77
  5.3 换能器的双自由度滞回模型  77-88
    5.3.1 双自由度解析求解  78-88
  5.4 结果分析  88-91
    5.4.1 数值解分析  88-90
    5.4.2 单双自由度两种模型下响应的比较  90-91
  5.5 本章小结  91-92
第6章 结论与展望  92-94
  结论  92
  展望  92-94
参考文献  94-98
致谢  98

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 超声工程 > 超声换能器
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