摘 要

近代以来，超磁致伸缩材料的设计与研究工作迅速发展，其所制造的功能器件大都不需要传统的机械装置，实现了材-电-机一体化。基于超磁致伸缩材料的物理效应（焦耳效应、维拉里效应、维德曼效应、逆维德曼效应、△E 效应、跳跃效应等），所涉及的工程用途非常的广泛，本课题就是在超磁致伸缩制动器的基础上，作为激振器的主要部件，通过柔顺机构，在维德曼效应下，实现旋转型激振器的设计与研究，由于材料和条件的局限性，只能通过所了解的知识和前人的经验，进行理论上的设计研究。

在上述情况下，利用有限元仿真软件ANSYS17.0实现对零部件的设计与仿真分析，进型静态磁场分析、模态分析和屈曲分析，得到其振动特性、固有频率等结果，所得结果对于旋转型激振器的进一步设计优化研究具有重要意义。

关键词：超磁致伸缩材料；维德曼效应；旋转型激振器；模态分析；屈曲分析

Abstract

In modern times, the design and research work of giant magnetostrictive materials has developed rapidly, and most of the functional devices manufactured by them do not require traditional mechanical devices, achieving material-electric-machine integration. Based on the physical effects of the giant magnetostrictive material (Joule effect, Villar effect, Widman effect, inverse Widman effect, △E effect, jump effect, etc.), the engineering applications involved are very extensive, and this topic is On the basis of the giant magnetostrictive brake, as the main component of the exciter, the design and research of the rotary exciter is realized by the compliant mechanism under the Widman effect. Due to the limitations of materials and conditions, only Theoretical design research is carried out through the knowledge gained and the experience of the predecessors.

Under the above circumstances, the finite element simulation software ANSYS17.0 is used to realize the design and simulation analysis of the components, the static magnetic field analysis, the modal analysis and the buckling analysis, and the vibration characteristics, natural frequencies and other results are obtained. Further research on the optimization of the exciter is of great significance.

Key Words：Giant magnetostrictive material; Widman effect; rotary exciter; modal analysis; buckling analysis

目录

第1章　绪论 1

1.1超磁致伸缩材料研究背景 1

1.2超磁致伸缩激振器的研究现状 2

1.2.1国外激振器研究现状 2

1.2.2国内激振器研究现状 2

1.3课题的研究内容 3

第2章　超磁致伸缩激振器的研究 4

2.1超磁致伸缩材料的工作原理 4

2.2超磁致伸缩激振器 4

2.3超磁致伸缩制动器的应用和工作原理 5

2.4超磁致伸缩激振器的研究意义 6

第3章　超磁致伸缩致动器的设计 7

3.1超磁致伸缩棒的选型 7

3.2磁场的分布 8

3.3线圈的设计 9

3.4散热系统的设计 11

3.5超磁致伸缩棒轴向预压力设计 12

3.6本章小结 13

第4章　超磁致伸缩激振器的有限元分析 14

4.1激振器的有限元仿真分析软件简介 14

4.2电磁场理论 14

4.3激振器轴向ANSYS静态磁场分析 14

第5章　超磁致伸缩激振器的模态分析 18

5.1模态分析原理及步骤 18

5.2柔顺机构简介 19

5.3柔顺机构的设计与模态分析 19

5.4超磁致伸缩棒和输出杆的模态分析 23

第6章　超磁致伸缩激振器的屈曲分析 26

6.1屈曲分析的概念描述 26

6.2屈曲分析的过程和结果 26

第7章　环境影响及经济性分析 33

7.1环境影响分析 33

7.2经济性分析 33

7.3本章小结 33

第8章　结论与展望 35

8.1结论 35

8.2展望 35

致谢 36

参考文献 37

第1章　绪论

1.1超磁致伸缩材料研究背景

磁致伸缩材料制造的功能器件大多不需要传统的机械装置，可实现材-电-机一体化，其结构简单、灵巧、高效、智能及集成。因此，很多人认为磁致伸缩材料是一种智能材料。

自1842年以来，Joule发现铁丝具有线性磁致伸缩应变效应（即焦耳效应）的近170年间，科学家们一直在不懈地研究它们，使磁致伸缩材料成为一项重大发展。 其发展经历四个阶段：

第一阶段是勘探阶段，从1842年到20世纪30年代，历时近百年，人们已经研究了磁致伸缩的物理本质和各种材料的磁致伸缩应变。

第二阶段是从20世纪30年代到60年代发现纯Ni和FeCo基合金磁致伸缩材料及其应用。三四十年的时间，人们还发现纯Ni和FeCo基合金具有大的磁致伸缩应变。它也可用于制造水声换能器，电话接收器，水听器和各种传感器。

第三阶段是稀土磁致伸缩材料的开发和应用，从20世纪60年代末到20世纪末。大约40年后，人们研究了[112]轴向和[110]轴向TbDyFe磁致伸缩材料的发展。并应用于低频大功率声纳发射传感器，水声对抗传感器，大功率超声换能器的制造， 大功率振源、反振动与反噪声器、极大地促进了相关技术的发展。但是，稀土磁致伸缩材料的原料价格昂贵，材料脆，驱动磁场大，限制了其应用。

第四阶段是人们发展Fe-Ga与钴铁氧体磁致伸缩材料以及探索其应用阶段，从21世纪初开始到现在。 2000年，克拉克等人。后来，人们发现Fe-Ga合金的原材料成本较低。 具有高强度，可制造取向大块体材料、可冷(温)轧成板特或带材、可冷(温)提成丝材，它也可以制成二维薄膜材料，或者可以制成一维纳米线，甚至可以加工成零维粉末材料。在开发Fe-Ga磁致伸缩材料的同时，还开发了钴铁氧体磁致伸缩材料。钴铁氧体磁致伸缩材料具有许多优点： 磁致伸缩应变高，其中λs已达到(300 ~400)x10-6; 它对磁场或应力高度敏感，具有高电阻率和低涡流损耗。 适合在高频领域应用，化学稳定性好，制造设备简单，原材料成本低。 Fe-Ga与钴铁氧体磁致伸缩材料相辅相成取长补短。它们的应用涵盖纯Ni，FeCo和稀土磁致伸缩材料的所有领域。 它将会促进驱动器、换能器、传感器与其他功能器件的跨越式发展，将促进材电-机一体化，特别是对现代制造业和设备实现网络化和智能化整合将起到重要的推动作用。

1.2超磁致伸缩激振器的研究现状

1.2.1国外激振器研究现状

激振器的国外研究和应用始于20世纪50年代。美国军方首先研发出电动式激振器，并用她作一种军用战机的整机地面共振实验。后来，随着工业化进程的发展，现代工程结构日趋完善复杂，对激振器的动态响应性能的要求越来越高，推动激振设备不断的发展和完善。法国PRODERA公司生产研发了一系列的激振器，可以用在地面共振试验或飞行振动试验中。其研发的具有计算机智能控制的全自动化模态试验设备中含有多台电动式激振器，激振力大小为50N，200N，1000N不等。

1.2.2国内激振器研究现状

中国激振器的发展起步晚于国外，始于20世纪60年代初。但是当时所研发的激振器的性能指标难以满足工业需求，并不能应用于科研和生产实践，因此很长一段时期内，我国都是从国外进口各类激振器以工业生成和科研实验。直到1974年，南航振动工程研究所主任、中科院院士赵淳生教授研发的电动式激振器问世，情况才有所改观。赵院士对激振器进行了深入研究，取得了丰硕成果，其主要成就如表1.1所示。

表1.1赵淳生院士对激振器的研发成果表

此外，哈尔滨工业大学伺服仿真与测试系统研究所，同济大学，西安交通大学，吉林大学，北京自动化研究所等单位也对激振器进行了深入的研究和探索， 并取得了丰硕的成果。沉阳中展节能产品有限公司（型号 TX. VSR1860）开发的基于超磁致伸缩材料的振动激振器，最大激振力高达60 kN，这在激振器的研究中取得了突破。

1.3课题的研究内容

本课题的主题是超磁致伸缩旋转激振器的设计和研究，即在了解掌握超磁致伸缩材料的工作和机理的基础上，采用超磁致伸缩制动器作为驱动装置，由其产生的高频扭转位移用作振动源。 经柔顺放大机构作用，然后通过旋转型振动头输出的激振器，用于在工作对象上施加高频动态的旋转型震动激励。主要研究内容可分为以下几个方面：

（1）超磁致伸缩制动器部分的设计。在掌握超磁致伸缩材料特性的基础上，利用超磁致伸缩材料的扭转效应，完成了致动器部分的驱动线圈，磁场，超磁致伸缩棒，冷却系统等的设计。 实现高精度扭转位移的产生与输出。

（2）超磁致伸缩激振器的有限元分析。设计完成激振器之后，通过有限元ANSYS仿真分析，对各个零部件进行模态、屈曲等分析出结果，并进行结构优化。

（3）柔顺机构的设计与分析。通过柔顺机构学的学习与应用，设计出一种柔顺放大机构，对超磁致伸缩制动器的输出的旋转位移进行放大并输出传递到振动头，并建立有限元模型分析其特性。

第2章　超磁致伸缩激振器的研究

2.1超磁致伸缩材料的工作原理

因为超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material 简称GMM）被发现研究出来，它使得很多问题得到解决方案。这种材料的的工作原理在于，将材料放置在磁场中，如果磁场的大小和方向发生变化，超磁致伸缩材料会因为自身的物理特性而在变化的磁场中产生伸缩变形，该变形与磁场效应之间的线性关系被称之为磁致伸缩系数。超磁致伸缩材料区别于其他磁致伸缩材料的方面，就是他们的性能更好一些。在相同的情况下，就会表现出其优点更为突出；致伸缩系数大使得在磁场中的磁致伸缩现象变化越明显。总体积几乎没有任何变化，仅仅只是在超磁致伸缩材料的长度上面发生伸缩变形。超磁致伸缩材料相当于是能量交换介质，通过特性，电磁能-机械能相互转化，能量守恒的原因，其散发的能量较少，利用率很高，在同类中表现突出。

　在室温下，超磁致伸缩材料的机械-电能之间转换率高，能量密度也高，响应速度快，良好可靠，驱动方法也非常简单。这些特性与其他的智能材料不同，为超磁致伸缩材料的发展，奠定了坚实的基础，充分发挥起作用，在各行业领域中大放光彩。

2.2超磁致伸缩激振器

激振器（vibration exciter）用途广泛，可用于传感器和振动测试仪器的校准，也可作为振动机械系统的激励部件，用以输送、筛分物料并对其密实、成型，捣固土壤砂石等，还可以用于振动和强度试验。但是随着工业技术的不断发展，试验方法逐步完善变得复杂，载荷和环境条件越来越恶劣，同时对工程结构的动态特性的要求越来越高，因此，激振器的主要性能参数如体积、重量、频率等的要求越来越高。

另一方面，激振器的主要部件——致动器的发展也有所突破。随着对超磁材料的深入研究，其工作特性的控制技术日趋成熟，超磁材料的应用范围越来越广。采用超磁材料设计开发的超磁致伸缩执行器克服了传统电致伸缩执行器的小伸缩位移，输出力小，响应慢，而且必须高电压驱动、设计复杂等缺陷，具有精确度高，设计简单,响应快，动态特性好，工作电压低只需几伏至几十伏电压进行驱动，输出功率高等优点，而且其电——机转换效率高。

同时，随着各项加工技术的发展，目前振动技术也逐渐被发展应用到如车削、铣削等生成加工中，但是目前大多振动加工技术所使用的都是超声波加工。因此研制一款新型旋转型电磁式激振器是一项具有科研价值和市场价值的重要课题，可以打破超声振动加工独占市场的垄断格局，增加振动加工技术的多样化选择空间，

因此基于上述背景，为了高新技术的发展需求，本课题针对传统电致制动器的种种不足，利用超磁致材料和柔顺机构的优良工作特性，研究设计一种基于超磁致伸缩材料与柔顺放大机构的旋转型激振器。而传统的研发方法，周期长、成本高，本课题应用有限元分析软件ANSYA建立激振器的三维模型，对激振器可动系统进行仿真和优化计算，它弥补了实验的不足，降低了实验的风险和成本，提高了研发效率。

2.3超磁致伸缩制动器的应用和工作原理

作为一种新型的高效磁（电）机械能转换材料，Terfenol-D棒等材料立即引起了高科技领导者的关注，应用研究非常活跃。目前在应用研究方面处于领先地位的有ABB、Kockums、Volvo和SKF等公司，这些主要应用领域在：

（1）大功率低频声呐系统；

（2）高精度快速微位移制动器；

（3）高能微型机械功率源；

（4）阻尼减震系统等领域；

超磁致伸缩材料还有其他的应用价值性能，随着人们的不断研究和探索，越来越多的性能和价值出现在人类的视野中，也使得在工程是哪个材料成本降低，应用研究不断发展，科技水平不断提高。下图是其中超磁致伸缩制动器的结构图，制动器作为激振器重要的组成部分，它的工作原理是：磁棒的伸缩变形推动定位块和质量块运动。定位块、质最块、弹簧和预紧套筒构成磁棒的预压力机构。以使棒内部的磁畴在外磁场为零的情况下近乎沿着径向应力的方向排列，从而在外加激励磁场的情况下，可以获得较大的轴向位移输出。定位块、底座外壳、磁棒和气隙构成了闭合磁路。

图2.1：超磁致伸缩致动器的结构图

2.4超磁致伸缩激振器的研究意义

超磁致伸缩棒的尺寸伸缩可以与施加的磁场成比例，并且其磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。磁致伸缩棒在室温下具有较高的机械能-电能量转换率，能量密度高，响应速度快，可靠性好，驱动方法简单。 正是这些性能优势彻底改变了传统的电子信息系统，传感系统和振动系统。然而，由于激振器在操作期间经受的大扭矩和振动，传动系统可能有故障发生，并且轴承室和轴承位置经常磨损。这类问题发生后，传统的方法主要是修复焊接或电刷喷涂，但两者都有一些缺点： 高温焊接修复引起的热应力不能完全消除，容易造成材料问题，损坏并导致零件弯曲或断裂;刷涂层受涂层厚度的限制，容易剥离。在各种力量的共同作用下，磨损仍将再次发生。利用超磁致伸缩材料的特性，可以高效运行，节省成本。

第3章　超磁致伸缩致动器的设计

3.1超磁致伸缩棒的选型

目前，国内外市场上只有少数能够大规模生产超磁致伸缩棒的厂家。国产超磁致伸缩材料的主要性能指标可达到国际标准水平。但是海外公司所生产的产品的价格相较于国产的价格而言还是高得多，价格有些悬殊，因此，为了节省制造成本并符合经济原则，国内制造商生产的超磁致伸缩材料在设计时是优选的。

表3.1是三种常见磁性缩材料的特性对比表，通过表中各项数据对比发现，Terfenol-D棒是其中的佼佼者，具有应变大、输出力较大、能量密度更高、响应速度更快和可靠性较好的优点因此根据技术要求和经济性原则，本课题选用了常用的TbDyFe合金棒材Terfenol-D棒。经过分析对比，最终选择规格为φ8X50mm。

表3.1三种常见磁性材料特性对比表

3.2磁场的分布

本课题所设计的激振器利用的是超磁致伸缩材料的Wiedeman效应（维德曼效应），根据维德曼效应的原理可知，需要在超磁致伸缩棒周围放置螺旋形磁场，即在圆柱形磁致伸缩材料的周围，既有沿棒的轴向分布的磁场，同时又有绕棒的轴线分布的环形磁场（如图3.1）。

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