基于GMM和柔性鉸鏈的大位移微致動器設(shè)計與研究.pdf

1、超磁致伸縮材料是從20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的新型材料，目前已被視為21世紀(jì)提高國家高科技綜合競爭力的戰(zhàn)略性功能材料。超磁致伸縮材料以其位移分辨率高、應(yīng)變大、輸出力大、響應(yīng)速度快和能量密度高等諸多優(yōu)點，在軍民兩用高科技領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。我國有著豐富的、優(yōu)良的稀土資源，研究基于超磁致伸縮材料的微致動器對我國稀土材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著積極的推進作用。目前，利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng)制作微致動器是國內(nèi)外的研究熱點，大多數(shù)研究集中在

2、小位移的微致動器上，為了擴大其應(yīng)用范圍，論文結(jié)合超磁致伸縮材料和差動式位移放大機構(gòu)，研制大位移微致動器，并對其關(guān)鍵技術(shù)問題進行理論和實驗研究。
　　 論文以微致動技術(shù)為背景，論述了超磁致伸縮致動器的研究現(xiàn)狀，并且介紹了超磁致伸縮材料、磁致伸縮機理、物理效應(yīng)及其應(yīng)用。
　　 在超磁致伸縮材料的工作特性的基礎(chǔ)上，完成大位移微致動器的設(shè)計，主要包括GMM棒的選型、線圈的設(shè)計、磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計、預(yù)壓機構(gòu)的設(shè)計、溫控結(jié)構(gòu)的設(shè)計和位移

3、放大機構(gòu)的設(shè)計等。
　　 針對所設(shè)計的大位移微致動器，在理解ANSYS軟件的電磁場分析理論的基礎(chǔ)上，建立了其三維有限元分析模型，分析了其磁場特性。分析結(jié)果表明，磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，GMM棒上的磁感應(yīng)強度滿足要求，漏磁較少。同時，分析了線圈高度以及殼體、輸出軸和后端蓋等部件的材料對驅(qū)動磁場軸向分布特性的影響，對磁路設(shè)計和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。
　　 位移放大機構(gòu)采用全柔性結(jié)構(gòu)，建立了倒圓角型柔性鉸鏈的力學(xué)模型，分析了最小厚

4、度、直梁段長度和倒圓角半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其轉(zhuǎn)角剛度和拉伸剛度的影響，為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。采用有限元分析方法對位移放大機構(gòu)進行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，分析結(jié)果表明，位移放大機構(gòu)的放大倍數(shù)、輸入剛度和輸出剛度可以視為常數(shù)，放大倍數(shù)達到6.8，在輸入位移為80μm的作用下強度能夠滿足要求。
　　 采用壓磁方程描述GMM棒的磁機耦合關(guān)系，通過建立大位移微致動器的動力學(xué)模型仿真分析了其動態(tài)特性，分析結(jié)果表明大位移微致動器的

5、時域特性和頻域特性較好。同時，分析了大位移微致動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)特性的影響，為大位移微致動器的動態(tài)設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。
　　 論文對大位移微致動器進行了測試和實驗研究，包括磁場特性、輸出位移特性、穩(wěn)定性以及位移放大機構(gòu)的性能。研究結(jié)果表明，采用ANSYS軟件建立大位移微致動器的三維有限元分析模型和分析結(jié)果正確；采用ANSYS軟件分析位移放大機構(gòu)的放大倍數(shù)與實驗吻合；采用壓磁方程描述的磁機耦合關(guān)系正確，穩(wěn)態(tài)輸出與實驗結(jié)果吻合