摘 要

超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简称GMM）之所以被视为21世纪十分重要的，对提升国家高科技综合竞争力有极大意义的战略性稀土材料，

是由于从1970年左右开始，其被发掘出来的位移分辨率更高、应变更大、输出力更大、响应速率更快和能量密度更高等优点，在航天、军工、核工业等高新科技范畴中显示出其他材料难以企及的应用前景。同时，我国稀土资源富饶且质地优秀，因此深入研制基于超磁致伸缩材料（GMM）的线性位移激振器对我国稀土生产、加工产业的进步有着积极的促进作用。当今，运用超磁致伸缩材料（GMM）的磁致伸缩效应来驱动产生线性位移的激振器是国内外重点关注的研究项目，而且其中大部分的研究精力被放在了激振器的核心结构——即致动器（actuator）上。为更好的大范围的应用激振器，本文结合超磁致伸缩材料（GMM）和柔顺放大机构（compliant mechanisms），研制超磁致伸缩激振器，并对其关键技术问题进行了理论和仿真研究。

本文首先以超磁致伸缩效应为背景，描述了超磁致伸缩材料（GMM）的国内外运用发展情况，并且介绍了该种材料的伸缩原理和相关物理特性，其次介绍了柔顺放大机构的工作原理和发展状况。

其次，在超磁致伸缩材料（GMM）作用机理的基础上，完成超磁致伸缩激振器的设计，其中主要包括激振器壳体、超磁致伸缩致动器、柔顺放大机构、直杆型振动头，详细分析了激振器的工作过程，并通过数学方法建立了激振器工作过程的动力学模型。

设计超磁致伸缩致动器包括选用GMM棒材，设计线圈参数，设计预压机构，设计温控系统结构。

本文中的柔顺放大机构的放大机理基于差动式杠杆的工作特性，采用100%金属结构，工作过程没有摩擦没有工作间隙、机构形状恢复力强、机构形变精密度高、位移放大倍率能达到6.5倍，结构加工方便。分析了该柔顺放大结构的一系列，包含测算放大倍数、结构输入刚度、结构输出刚度以及结构强度在内的力学特性。

在最后，本文通过对参数设计完成的直杆型振动头进行ANSYS软件的模态分析和谐响应分析，比较分析结果后，确定最优化的振动头尺寸参数，计算出其固有频率和振型。同时，根据前章的数据结果，计算出激振器激励与输出的近线性关系。

关键词：超磁致伸缩材料，致动器，柔顺放大机构，有限元法

Abstract

The Giant Magnetostrictive Material (GMM) is regarded as one of the most important rare earth materials in the 21st century, because it is not only of great significance to enhance the national high-tech comprehensive competitiveness, but also because of the beginning of around 1970 , the excavation of the displacement resolution is higher, greater strain, greater output power, faster response rate and higher energy density, etc., in the aerospace, military, nuclear industry and other high-tech areas show that other materials difficult to match Application prospects. At the same time, China's rare earth resources rich and excellent texture, so in-depth development based on the giant magnetostrictive material (GMM) linear displacement exciter on China's rare earth production and processing industry has a positive role in promoting progress. Today, the use of giant magnetostrictive material (GMM) magnetostrictive effect to drive the linear displacement of the exciter is focused on research projects at home and abroad, and most of the research focused on the core of the exciter Structure - the actuator. This paper combines the giant magnetostrictive material (GMM) and the compliant mechanisms to develop a giant magnetostrictive exciter, and has carried on the theoretical research to its key technical problem for the better wide range of application exciter and simulation studies.

In this paper, the development of metamorphic materials (GMM) at home and abroad is described with the background of magnetostrictive effect, and the principle of telescopic and related physical properties of this kind of material are introduced. Secondly, the work of softening and enlarging mechanism is introduced. Principles and development.

Secondly, based on the mechanism of the action of the giant magnetostrictive material (GMM), the design of the giant magnetostrictive exciter is completed, which mainly includes the exciter shell, the giant magnetostrictive actuator, the softening and enlarging mechanism, The vibration model of the exciter is established by mathematical method. The dynamic model of the exciter is established by mathematical method.

The design of the giant magnetostrictive actuator includes the selection of GMM bar, the design of coil parameters, the design of preloading mechanism, the design of temperature control system structure.

In this paper, the enlargement mechanism of the flexible amplifier mechanism is based on the working characteristics of the differential lever. The 100% metal structure is used. The working process has no friction without working space, the mechanism shape is strong, the deformation precision is high, the displacement magnification can reach 6.5 Times, easy to handle the structure. A series of the flexible structures are analyzed, including the mechanical properties of the magnification, the structural input stiffness, the structural output stiffness and the structural strength.

In the end, this paper analyzes the harmonic response of the ANSYS software with the straight vibration of the parametric design. After comparing the results, the optimal vibration head size parameters are determined and the natural frequency and vibration mode are calculated. At the same time, according to the previous chapter of the data, calculate the exciter excitation and output of the near linear relationship.

Key Word：Giant magnetostrictive materials, Actuators, Finite element method, Compliant amplifying mechanisms

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1 超磁致伸缩材料的国内外应用与发展 1

1.1.2 柔顺放大机构的原理与国内外研究发展 2

1.2 课题研究内容和意义 3

1.2.1 课题来源 3

1.2.2 课题研究意义 3

1.2.3 课题研究内容 4

第2章 激振器的设计 6

2.1 激振器的基本结构与组成 6

2.2 激振器的工作过程 7

2.3 激振器的动力学模型 7

2.4 本章小结 11

第3章 超磁致伸缩致动器的设计 12

3.1 超磁致材料的伸缩原理 12

3.2 超磁致伸缩致动器的基本结构 13

3.2.1 GMM棒选型 13

3.2.2 线圈的设计 15

3.2.3 预压机构的设计 19

3.2.4 温控结构的设计 20

3.3本章小结 20

第4章 柔顺放大机构的设计选用与分析 22

4.1 柔顺放大机构的设计 22

4.2 柔顺放大机构放大倍数的分析 24

4.3 柔顺放大机构的刚度强度分析 24

4.4 本章小结 26

第5章 直杆型振动头的设计与分析 27

5.1 直杆型振动头的有限元分析 27

5.1.1 直杆型振动头的模态分析 27

5.1.2 直杆型振动头的优化改进及其振型的确定 28

5.2 直杆型振动激励与负载的变化特性输出 31

5.3 本章小结 32

第6章 环境影响及经济性分析 33

6.1 环境影响分析 33

6.2 经济性分析 33

第7章 结论与展望 34

7.1 研究结论 34

7.2 研究展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

激振器是安装在机械设备上用以产生激振力的装置，是产生并运用机械振动的重要设备，能使被激物体获得一定幅度和频率的振动量，从而对物体进行振动和结构强度的相关试验，或对振动测试设备和传感器进行校准。但是，当今尖端科学技术的快速发展对激振器的技术及相关检测设备提出了更高的要求，例如要求激振器有更高的振动频率和幅值的精度、更快的响应速率以及更好的工作稳定性等。现在已有把超磁致伸缩材料（GMM）利用在致动器上或激振器之中的情况。

1.1.1 超磁致伸缩材料的国内外应用与发展

磁致伸缩致动原理是使用磁致伸缩材料（GMM）的磁致伸缩效应实现电能/磁能一机械能转换，当今磁致伸缩材料（GMM）有镍、钴等，其中镍和钴属于传统磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料（GMM）是近年来发展起来的一种新型智能材料，具有其独特的性能优势，如位移分辨率更高、应变更大、工作输出力更大、工作过程响应速率更快等优点。因此，国内外已经有大量学者对超磁致伸缩材料（GMM）进行测试和研究，利用它的磁致伸缩效应及其逆效应制作了各种器件，其中超磁致伸缩致动器（Giant Magnetostrictive Actuator，即GMA）就是利用超磁致伸缩材料具有的磁致伸缩效应来实现微致动的一种装置，国内外对其应用研究甚多。

20世纪70年代初，美国Clark团队率先制备出TbFe₂、SmFe₂、DyFe₂等材料，并发现它们的磁致伸缩性能较好以及居里温度高于常温，但由于其磁晶的各向异性很大，需要较大的磁场作用才能获得较大的材料伸缩量，故这一系列材料的应用受到限制^[1]。后来，该团队又研制出（Tb，Dy）Fe₂等赝二化合物，发现Tb_1-xDy_xFe_2-y的磁致伸缩性能更好且各向异性较小，并且在制备成单晶或多晶材料后，施加一定的压应力可使材料在较弱磁场的作用下具有较大的磁致伸缩系数，这就提高了材料的实用性能。直到20世纪80年代，超磁致伸缩材料（GMM）实现了商品化，产品名为Terfenol—D，可制备成多种形状。后来1990年代初，日本茨城大学和东芝公司合作生产了定位精度达到纳米级的超磁致伸缩致动器（GMA），并将其应用于大型车床的微进给装置中，得到较好的实用效果^[2]。Urai团队使用超磁致伸缩致动器（GMA）作为部件，研制出了直动式伺服阀。同一时期，Goodfrined团队采用超磁致伸缩致动器（GMA）研制出高频比例阀^[3]。国内在超磁致伸缩致材料运用方面的探索起步较晚，夏春林团队使用超磁致伸缩材料（GMM）设计了压力气动阀的驱动元件。徐峰团队研制了主动振动控制的超磁致伸缩致动器，证明超磁致伸缩致动器具有较好的低频动态特性、较小的谐频影响^[4]。同时，肖俊东团队使用超磁致伸缩致动器（GMA）作为部件研制了一种新式的高速运动开关阀，不仅可以获得较大的阀芯位移，而且简化了阀体结构，使之控制方便，可获得很高的脉宽调制频率和能量转换效率。

1.1.2 柔顺放大机构的原理与国内外研究发展

柔顺放大机构是一种利用金属构件本身的弹性变形来完成运动和力的传导、转换和放大的结构。由于该结构可使结构加工工序简化、构建数量和装配时间减少、工作过程无摩擦、无磨损、无运动副间隙，减少振动和噪音的优点，引起了学界的广泛关注，成为机构学研究领域的又一热点^[5]。国内外的许多专家教授对柔顺机构进行了多年的探索并取得了一定的研究进展。柔顺机构主要存在以下两种类型：首先，是以柔性铰链为核心特点的柔顺机构，该种柔顺机构主要是依靠机构中柔性铰链中间较为脆弱的部分，在较大力矩作用下产生十分明显的弹性角变形来完成运动或力的传递和转换^[6]；再者，是以柔顺杆作为核心特征的柔顺机构，该种柔顺机构依靠机构中较薄的柔顺杆的弹性变形来进行运动或力的传递和转换。