气隙调节式大行程超磁致伸缩自感知执行器基础研究

Self-sensing actuator(SSA) based on giant magnetostrictive material(GMM) has many merits, such as fast response, high precision mechanical output and actuator/sensor integration. It attracts widespread attention in smart wing structure and industrial automation control application. Considering the lack of self-sensing model, sensing signal weak and hard to be picked in self-sensing application of actuator, this project proposes giant magnetostrictive material-based self-sensing actuator with the characteristic of the adjustable air-gap. The combination structure of displacement amplification mechanism and air-gap method is adopted in the self-sensing actuator. The magnetomechanical coupling model of giant magnetostrictive material and the structural dynamic model of actuator are established. The magnetomechanical coupling characteristics of GMM and magnetic sensing variation of the actuator are researched with the effect of stress and magnetic field. In order to improve the sensing accuracy of magnetization in application, the structure parameters of the SSA are optimized using the finite element analysis method. The key technologies of self-sensing design based on magnetization sensing for the optimized design method of SSA are concluded. The research results can provide a theoretical basis for self-sensing actuator based on smart materials. And the self-sensing actuator has important scientific significance and application prospects in the field of smart wing and structural health monitoring.

基于超磁致伸缩材料的自感知执行器以其响应速度快、高精度输出、执行/传感一体化控制的特点，在可变翼面结构和工业自动化控制等领域受到广泛关注。本课题针对超磁致伸缩执行器自感知应用中存在的自感知模型缺乏、传感信号弱且不易提取等问题，提出一种具有气隙调节特性的超磁致伸缩自感知执行器研究。采用位移放大结构和气隙相结合，建立超磁致伸缩材料磁-机耦合模型和执行器结构动力学模型，掌握应力、磁场作用下超磁致伸缩材料磁机耦合特性与执行器中磁感知变化规律。利用有限元分析方法对超磁致伸缩自感知执行器的结构参数进行优化设计，提高自感知应用中磁传感信号的感知精度，突破自感知执行器基于磁信号感知设计的关键技术，总结超磁致伸缩自感知执行器的优化设计方法与构型特性理论。本课题的研究成果可以为基于智能材料的自感知执行器设计提供理论基础，具有重要的科学研究意义，在可变翼面结构、结构健康监测等领域应用广泛。

以超磁致伸缩执行器的自感知应用为背景，以提高超磁致伸缩执行器对环境应力载荷和执行过程中应变量输出的高灵敏度设计等性能为目标，本课题提出了一种具有气隙调节功能的超磁致伸缩自感知执行器结构。该装置采用帽状位移放大结构和可变气隙结构相结合，可实现载荷作用下超磁致伸缩材料内应力和磁场同时变化的效果，具有高载荷感知灵敏度的优点，易于自感知执行器的设计及应用。具体研究内容及成果以下：.1) 在超磁致伸缩材料机-磁耦合模型方面，参照S-W模型的建模方法，提出一种简便的、易于工程应用的磁畴偏转数值分析方法，研究了载荷作用下材料内部磁畴角度偏转特性，建立得到超磁致伸缩材料的机-磁耦合模型；在此基础上，研究了所建立模型的参数依赖性，并提出一种简便的参数辨识方法，有效的修正了所建立的材料机-磁耦合模型的本构参数。.2） 在自感知模型研究方面，研究了单一载荷作用下超磁致伸缩材料内磁化特性的改变，提出应力和磁场同时作用下获取较大压磁效果的设计方法；结合执行器自感知设计中磁场感知的原理，建立得到考虑线圈结构下的执行器自感知数学关系。.3) 在自感知执行器构型理论方面，研究了超磁致伸缩材料磁导率、气隙长度、永磁体结构等对GMM内磁场大小及均匀性的影响，建立考虑GMM磁导率、气隙长度、永磁体参数下材料内有效磁场的精确数学关系。在此基础上，建立考虑超磁致伸缩材料、永磁体、气隙、帽状位移放大结构等结构参数的输出电动势数学关系，提出气隙调节式超磁致伸缩自感知执行器样机优化设计及集成方案。.4) 在实验测试方面，分别搭建超磁致伸缩材料和自感知执行器的实验测试平台，完成超磁致伸缩材料机-磁耦合模型、自感知模型、气隙调节式超磁致伸缩执行器环境应力感知和执行应变感知的试验验证。所提出的气隙调节式超磁致伸缩自感知执行器的应力感知系数达0.022T/MPa，大于传统结构的0.005-0.01T/MPa；同时，自感知模型的应变量感知误差小于2.5μm，气隙调节式超磁致伸缩自感知执行器的应变感知误差小于20μm。