基于超磁致伸缩微尺度棒及薄膜控流体阀的关键技术研究

超磁致伸缩材料（GMM）性能优异，已显示出良好的应用前景，然而基于GMM的微尺度流体元件的理论体系仍有待完善。本项目以直动型和薄膜型GMM转换器及其高性能流体阀为研究对象，采用理论分析、计算机仿真、有限元计算和试验研究相结合的方法，研究直动型和薄膜型GMM转换器及其高性能流体阀的实现方案和结构设计；进行建模仿真分析，确定各参数间的匹配关系，并研制两种GMM转换器及其流体阀进行试验研究；通过动态磁路计算、磁场有限元仿真及实验验证，揭示GMM转换器磁场分布规律；提出基于合理布置液压油的散热路径的阀用GMM转换器热补偿方法，以提高GMM转换器及其流体阀的输出精度。在此基础上建立两种GMM转换器及其流体阀的优化设计方法及评价准则，为提高伺服阀的精度和频响、解决微流体阀的驱动与控制，提供新思路和新方法。本课题旨在促进GMM在流体基础元件中的深入应用，为流体传动及控制技术注入新的活力。

本研究以直动型和薄膜型GMM转换器及其高频伺服微阀和微泵为研究对象，以流体动力学，电磁学、磁致伸缩唯象理论和流体传动与控制技术等多学科交叉为基础，采用理论分析、计算机仿真及实验验证等手段分析和优化GMM转换器及其高频伺服微阀和微泵的性能。主要进行了如下部分的研究工作:（1）设计了直动型GMM转换器及其微阀、微泵结构，并提出相应的热补偿机构、预压力施加机构及微位移放大等机构，并首次提出了具有复合型柔性铰链的GMM高频微小泵输出薄膜；（2）建立了直动型GMM转换器及其微阀、微泵的数学模型及AMESim模型，磁场的数学模型及ANSYS有限元模型，阀口流场的CFD模型等，通过仿真分析，得出其系统的静、动态性能，探明GMM转换器的磁场分布规律并进行磁路优化，实现磁路、线圈、转换器之间及转换器与阀、泵间的相关参数的匹配与优化。（3）分析了GMM高频微小泵的配流特性，给出了配流阀的设计原则及配流阀的种类选取，根据经验和计算公式计算出配流阀的相关参数，并通过AMESim建立了GMM高频微小泵的仿真模型，对其配流过程进行了仿真分析，分析研究了弹簧预压力、弹簧刚度、余隙容积及阀芯质量对微小泵配流特性的影响，并修正了部分参数，为GMM高频微小泵配流阀的结构参数优化提供了理论依据。（4）完成了基于直动型GMM转换器的两级电液伺服阀、直动式高频电液伺服阀及直动式高频微小泵的样机制作及试验研究； (5）理论分析了薄膜型GMM转换器及其微流体阀，研究了其实现方案，并首次提出了基于GMM薄膜驱动器的平面线圈驱动式微阀及微泵的设计，并对两种GMM转换器及其高频伺服阀和微流体阀优化设计理论、评价准则进行了归纳总结。上述研究成果有助于进一步完善基于GMM的微尺度流体元件的理论体系，为基于GMM的微尺度流体元件的实用化推广奠定理论及实验基础。