磁控形状记忆合金伸缩作动器设计及参数分析

该文基于磁控形状记忆合金（MSMA）材料自主设计了一种磁控形状记忆合金伸缩作动器,并阐述其原理。通过建立有限元模型,并对MSMA相对空气导磁率、导磁片的相对导磁率及电流等参数进行了分析。研究表明：当MSMA相对空气导磁率为30、电流大小为3 A时,MSMA棒中心线磁场的均匀性较好;而导磁片的相对导磁率对其均匀性影响较小。设计出了一种新型磁控形状记忆合金伸缩作动器,达到了从理论上充分掌握MSMA棒轴向磁场强度及均匀性,并间接地保证了磁控形状记忆合金伸缩作动器具有较优的控制力。     

压电双晶片型冲击式直线精密驱动器及动力学特性

提出了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片作为驱动单元的新型冲击式直线精密驱动器．建立了基于Karnopp摩擦模型的驱动器动力学模型和仿真模型，利用Matlab采用4阶Runge-Kutta计算方法分析了驱动电信号频率、幅值对驱动器动态特性的影响，提出了压电双晶片型冲击式精密驱动器特定的定频调幅驱动方法．制作了驱动器样机，并进行了驱动器性能实验，实验结果表明，该驱动器具有结构简单、行程大、分辨率高等特点，特别是它的成本只是传统冲击式驱动器的1／100，因此具有广泛的应用前景．     

基于粘-滑摩擦力模型的微型压电驱动器动力学分析

提出了一种新型的靠摩擦力驱动的微型压电驱动器，采用粘一滑摩擦力模型对其进行了动力学分析．通过对比仿真结果和实验结果，得出了不同驱动信号下的驱动器动力学特性；改变驱动信号的频率和幅值，能够控制驱动器的运动方向和速度．仿真结果与试验结果吻合较好，证明该摩擦力模型能够对驱动器进行较为精确的理论分析．     

肠道无创诊疗系统的微型直线驱动器技术

介绍了一种新型仿蚯蚓蠕动微型机器人直线驱动器的结构,建立了微型直线驱动器有限元模型,根据有限元模态分析结果设计并优化了微型直线驱动器,避免了系统共振的产生.建立了该微型直线驱动器的数学模型,并进行了动力学分析.仿真和实验表明,该微型直线驱动器的阶跃响应时间短,受负载变化影响小,在额定电压工作时驱动力达可到2.55N,温升在36℃以下.研究结果为仿蚯蚓蠕动机器人在人体肠道运行的安全性和可行性提供了理论基础.     

一种新型螺旋变形软体驱动器建模方法及应用

软体驱动器的变形方式主要为弯曲、伸缩变形,限制了软体驱动器的灵活性。为了提高软体驱动器的操作灵活性,提出一种新型的螺旋扭转变形软体驱动器。通过拉线驱动软体变形,骨架限制驱动器产生螺旋变形,实现驱动器末端在三维空间中的可控运动。基于常曲率连续软体运动学理论及螺旋扭转变形的几何关系,建立了一种适用于常曲率螺旋变形运动学模型,获取在全局坐标系下驱动器末端的坐标变换矩阵,实现对驱动器位姿的描述。通过仿真和实验数据验证,模型精度大于98%。为螺旋扭转变形驱动器的控制建立精确的运动学模型,为未来基于此软体驱动器的超高灵活性抓手的搭建提供了理论模型基础。     

磁控形状记忆合金振动发电机原理及建模方法研究

在能源日益缺乏的今天,环境中普遍存在的振动能量成为很多科技工作者新的能源资源。重点研究磁控形状记忆合金(magnetic controlled shape memory alloy,MSMA)振动发电机的建模问题。为了充分利用MSMA变形率大、易于控制、可逆效应输出感应电压大的特点,提出了利用MSMA的维拉利效应收集振动能量的发电机原理。通过分析MSMA马氏体相变特性和磁畴运动模式,利用吉布斯自由能函数,建立了MSMA振动发电机的数学模型,求出在磁场和振动力共同作用下振动发电机感应电动势与磁化强度和应变量的数学关系。分别分析了外加振动力、施加磁场、振动频率变化时对发电机输出电压的影响。仿真结果验证了利用MSMA合金制作微型振动发电机的可行性及数学模型的正确性。     

GMA磁滞特性的Persiach模型建模

超磁致伸缩材料具有本征磁滞非线性,用于精密定位时具有较大的回程误差,为控制超磁致伸缩驱动器的输出位移精度,需要建立准确的数学模型来描述其磁滞非线性。本文基于经典的Preisach磁滞模型,通过对Preisach磁滞模型的离散化,建立了超磁致伸缩驱动器的Preisach磁滞数学模型,并进行了超磁致伸缩驱动器输出位移实验研究。实验结果表明：模型计算的结果 和实验结果基本吻合,证明所建模型能够较好的反映出实际情况。     

磁滞伸缩驱动器磁滞特性的Persiach模型建模

超磁致伸缩材料具有本征磁滞非线性,用于精密定位时具有较大的回程误差。为控制超磁致伸缩驱动器的输出位移精度,需要建立准确的数学模型来描述其磁滞非线性。基于经典的Preisach磁滞模型,通过对Preisach磁滞模型的离散化,建立了超磁致伸缩驱动器的Preisach磁滞数学模型;并进行了超磁致伸缩驱动器输出位移实验研究。实验结果表明:模型计算的结果和实验结果基本吻合,证明所建模型能够较好地反映实际情况。     

电压和压力载荷下圆形薄膜压电驱动器形变分析

薄膜压电驱动器驱动均匀气体压力载荷时具有不同的形变特征.根据基尔霍夫薄板原理,采用最小能量法和里兹法建立了圆形薄膜压电驱动器耦合均匀压力载荷条件下的静态形变模型.分别在电压驱动、压力驱动以及电压与压力共同驱动条件下,实验测试了驱动器的形变特征,并与计算模型对比,发现最大相对误差在9.3%以内,验证了模型的可靠性.基于建立的形变模型,分别讨论了驱动器压电层与弹性基层的半径比和厚度比对驱动器形变的影响,分析了均匀压力载荷条件下驱动器的形变特性.结果表明,薄膜压电驱动器存在最佳的半径比和最佳的厚度比,并且在均匀压力载荷下,驱动器半径比低于0.71时会明显导致驱动器的边缘处出现反向形变,不利于驱动.     

共振式压电驱动器分析及实验研究

推导了压电陶瓷等效刚度和驱动力的表达式.考虑胶层及预压弹簧的影响,将压电陶瓷简化为等效驱动力作用下的弹簧,设计了共振式压电驱动器.建立了共振式电驱动器的动力学模型,并进行了共振式压电驱动器原理性实验验证.实验与理论分析结果误差在10％以内,结果表明等效弹簧模型在低频范围内能够较为准确地模拟压电陶瓷的动力学特性.共振式压电驱动器可以显著放大压电陶瓷的位移,克服压电陶瓷输出位移小的缺点,有较为广阔的用途.     

形状记忆合金驱动的软体仿生手掌

与刚性部件控制的机械手臂或者手指相比,以记忆合金丝作为驱动器的驱动部件,避免了结构复杂的刚性部件以及复杂的运动反馈控制系统,其输出力—重量比高,驱动方式简便,引起各界的关注。本文以形状记忆合金为基础,设计试验了一种形状记忆合金丝驱动的软体仿生手掌。阐述了驱动记忆合金的原理、手掌的制作原理,建立了软体仿生手掌的运动学模型,采用matlab进行了运动学仿真验证分析,通过物理试验证明记忆合金驱动的软体仿生手掌可以达到手指弯曲及实际物体抓取的效果。     

两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型

采用热力学方法推导了磁控形状记忆合金在两轴向磁场作用下的力学本构模型,考虑了马氏体变体再取向的驱动力和阻力的平衡状态,建立了马氏体变体再取向的动力学方程。该模型用于分析NiMnGa单晶试样在双向磁场作用下的非线性力学行为和滞后效应,结果表明模型的预测数据和实验结果吻合性较好,从而说明模型是可行的。     

热电控制记忆合金驱动元件的实验与数值研究

为了适应微小卫星百叶窗热控系统的工作要求,提出了用于微热控百叶窗的半导体热电控制形状记忆合金新型驱动元件的构想。用实验和数值软件A nsys对驱动元件温度、变形等特性进行了研究,模拟结果与实验结果基本吻合。结果表明,与直接电加热的控制方式相比,该新型驱动元件的变形量是其2.4倍,动作频率则是其6倍。给定的驱动元件工作性能取决于形状记忆合金的相变温度和输入电流之间的匹配。     

形状记忆合金力学特性的细观力学分析

在形状记忆合金的本构模型中,有效复合模量是很重要的因素.工程计算中,一般采用经验公式,但缺乏深入的理论分析和实验数据支持.本文基于Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka方法,分析形状记忆合金的有效复合模量,推导了相应的计算公式,与文献中的经验公式比较,进行误差分析,并分析了不同的有效复合模量计算对形状记忆合金的应力-应变曲线的影响,从理论上论证经验公式的可行性,为形状记忆合金的设计和使用提供理论依据.     

适用于有限空间的微型形状记忆合金丝驱动器

形状记忆合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ,ＳＭＡ）丝用于微小型机器人中作驱动器时,为了达到要求的输出位移,其长度往往超出有限的可用空间。研究了产生这种现象的原因,并开发了一种使ＳＭＡ丝在整个可用空间中呈三维状态分布的微驱动器。理论分析和试验结果表明,该驱动器克服了ＳＭＡ丝直线驱动器和ＳＭＡ螺旋弹簧驱动器的弱点,拥有比骨骼肌更好的力学性能,应用于微小仿生机器人时,它可在满足输出位移要求的同     

考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型

近年来在形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）中发现的由于不完全马氏体逆相变引起的温度记忆效应,在智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值,建立克服现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应这一局限性的SMA本构模型具有理论和工程实际意义．本文在前期研究的基础上,基于作者提出的形状记忆因子的概念,综合运用热力学、连续介质力学和马氏体相变学的相关理论,建立了描述SMA的形状记忆因子、应力、温度间关系的形状记忆方程和描述SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．由形状记忆方程和力学本构方程构成的SMA本构模型,克服了现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应的局限性．数值结果表明,该SMA本构模型能有效描述经历不完全马氏体逆相变的SMA的热力学行为,可为SMA温度记忆效应的应用研究提供理论基础．     

随机振动下镍钛形状记忆合金管接头的疲劳寿命分析

针对管路系统中Ni-Ti合金管接头随机振动问题进行了随机振动疲劳寿命分析.以某飞机典型液压管路中的Ni-Ti合金管接头为研究对象,采用基于高斯分布和Mine线性累计损伤定律的Steinberg法,得到了疲劳损伤的计算公式.基于描述Ni-Ti形状记忆合金超弹性和记忆效应的本构模型,建立了管接头有限元模型,进行模态分析和随机振动响应分析,并利用疲劳损伤的计算公式预测结构的疲劳寿命.结果表明:Ni-Ti形状记忆合金管接头在80 000 h的飞行寿命内是安全可靠的,为管接头的设计和优化提供了理论参考.     

Phase Change-based Fixturing for Arbitrarily Shaped Components

Issues in industrialization of RFPE (Reference Free Part Encapsulation) are discussed in this paper. The issues are associated with three topics:① The location of the workpiece in the initial blank.② Problems related to material properties of the filler.③ Supported RFPE technique. A new method - adaptable location system (ATLS) is presented in this paper. ATLS consists of an array of pins which are controlled manually or automatically by an actuator. The actuation force comes from a shape memory alloy (SMA). Material properties of filler are very important for RFPE. The experiment has shown that machining error can be reduced by using conservative cutting parameters. Based on finite element analysis, the relationship between the deformation of the workpiece, the filler and the machining parameters has been achieved. A new approach, partial cage with active side wall (PCASW), allows machine tools to easily access any feature of the workpiece from different directions. It is convenient for every new se