超磁致伸缩驱动器的致动机理研究

介绍了超磁致伸缩驱动器的特点及其应用范围,论述了驱动器的结构参数及工作原理,建立了基于畴壁理论的GMA致动模型,对采用国产材料研制的驱动器静态位移输出特性进行了测试,并对致动模型进行了实验分析.     

超磁致伸缩致动器轴向谐振频率计算与实验研究

 为提高超磁致伸缩致动器(GMA)的设计效率,建立了GMA动力学模型和ANSYS有限元模型,对其轴向谐振频率进行了计算和模拟,并进行了GMA轴向谐振频率分析实验。通过实验数值和计算值及有限元分析结果的对比,动力学模型计算所得的GMA轴向谐振频率与实验值的误差小于5%, ANSYS分析所得的GMA轴向谐振频率与实验值的误差小于3%,验证了动力学模型和有限元模型的有效性。最后,通过ANSYS有限元分析了GMA各部件对其轴向谐振频率的影响,并提出利用有限元分析来提高GMA的结构刚度从而改善其轴向谐振频率的方法。     

液压放大式超磁致伸缩直驱式伺服阀的设计与实验

研制了一种基于液压式微位移放大机构的超磁致伸缩直驱式电液伺服阀,在保证较大体积流量的前提下,提高了直驱式电液伺服阀的频响.采用弹性力学理论、有限元和计算流体力学(CFD)方法对直驱式电液伺服阀进行了结构设计和分析,并制作了超磁致伸缩直驱阀样机,在AMESim下建立其磁-机-液耦合模型.仿真和试验表明:所设计的超磁致伸缩直驱阀的频响超过100Hz和系统油压21MPa下的负载体积流量达到30L/min.      

射流伺服阀用放大型超磁致伸缩执行器建模及分析

为提高射流伺服阀的动态性能,设计了采用桥式微位移放大机构的射流伺服阀用放大型超磁致伸缩执行器(AGMA)。建立了计输入位移损失的放大机构模型以及非线性位移输出理论模型,并采用有限元法对所建放大机构模型进行了对比验证,结果表明:放大机构的输入刚度模型最大误差0.78N/μm,放大倍数模型最大误差0.22,放大倍数受输入位移影响较小。最后,试验研究了AGMA的静动态特性,结果显示:控制电流在-0.5A到0.5A缓慢变化时,AGMA输出位移约为78μm;当控制电流从-0.5A跃变到0.5A时,其峰值位移约为71μm,峰值时间约为0.014s,调节时间小于0.1s;当控制电流幅值为0.5A时,其输出位移幅频宽40Hz,谐振频率约为30Hz。     

电流变柔性微致动器致动过程研究

利用电流变液体阻尼阀效应设计了原型电流变柔性微致动器,建立了相应的力学模型,进行了柔性微致动器致动过程实验研究和三维致动过程的计算机图形仿真,并对电流变柔性微致动过程的位移、速度和加速度等运动学和动力学特征进行了分析研究。     

基于弹性阻尼基座的超磁致伸缩致动器响应模型

为弥补环境引起的超磁致伸缩材料的不可控变形,将超磁致伸缩致动器置于弹性阻尼基座上,计算此时输出端和底座的稳态响应.将系统简化为两自由度线性系统,建立了系统的振动微分方程,计算其固有角频率,并通过简谐激励输入分析了系统的幅频特性.输入不同幅值和频率的简谐电流,通过实验得到输出端和底座的位移;根据实验结果计算了模型的相对误差,并对比模型和实验的绝对误差.计算结果表明:模型与实验结果的相对误差不超过9%,绝对误差不超过0.01mm,由此验证了模型的准确性.      

超磁致伸缩执行器热损耗模型与实验

针对高频大电流驱动下超磁致伸缩执行器发热严重影响其有效位移输出精度的问题，采用管式冷却结构措施以抑制执行器温升.根据欧姆定律建立交流(DC)与直流(AC)电同时作用下执行器电阻损耗理论模型，基于麦克斯韦方程推导出磁致伸缩棒内部磁场方程及涡流损耗模型，从复数磁导率虚部出发得出磁致伸缩棒磁滞损耗模型.求解上述模型可知:当驱动频率达到50Hz时，磁致伸缩棒损耗占执行器总损耗5%.通过搭建执行器热特性测试实验台，实验测得执行器损耗与理论计算结果吻合良好；管式冷却具有较好的冷却效果，可将磁致伸缩棒温度控制在50℃以内，其实验结果与有限元仿真结果最大误差为3℃以内，进一步验证热损耗计算公式有效性并为精密超磁致伸缩执行器的设计和应用提供了理论支持.      

超磁致伸缩执行器驱动的射流伺服阀参数优化

为提高射流伺服阀的性能,提出了一种超磁致伸缩执行器驱动的直动式射流伺服阀.采用磁场有限元分析的方法,建立了超磁致伸缩执行器输出电流与输出位移的关系,分析了线圈结构对其输出位移的影响,并给出了所设计执行器的实验曲线.结合所设计的射流伺服阀的特点,以能量传递效率最大为优化目标,建立了射流结构与射流效率的关系方程,求出了所设...     

基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性

针对无轴承等先进旋翼结构特点,建立了基于柔性多体系统动力学方法的旋翼气弹分析模型.旋翼各构件建模相互独立,便于组成不同构型旋翼,适合于新构型旋翼气弹分析.分析模型集成了适合于旋翼气弹分析的隐式大变形桨叶模型,构件动力学方程增加了铰链动力学方程,统一约束方程形式,改进了角运动约束方程,避免连续旋转引起的奇点问题.应用分析模型计算无铰式旋翼和无轴承旋翼的气弹稳定性,分析结构参数对旋翼气弹稳定性的影响.分析结果表明模型能准确计算结构弹性变形的耦合及非线性,提高旋翼气弹稳定性分析精度.      

巨磁致伸缩材料作动器及其谐振频率研究

 快速倾斜镜（FSM）是自适应光学系统中提高系统传输精度的关键器件。针对快速倾斜镜的应用背景，采用巨磁致伸缩材料作为驱动组元，研制适用于新型快速倾斜镜的巨磁致伸缩材料作动器，并对作动器的输出位移、输出力及振动模态进行了研究。采用超高温度梯度区熔定向凝固法制备了具有〈112〉轴向择优取向的TbDyFe巨磁致伸缩合金,其10MPa预压力时平行于外磁场方向的饱和磁致伸缩性能达到0.175%，线性段磁致伸缩性能超过0.12%。所研制的巨磁致伸缩材料作动器的准静态位移超过±40μm，输出力达到1 000N以上，并且具有良好的动态响应。巨磁致伸缩材料作动器在1kg负载时的一阶共振频率达到97Hz。这为新型快速倾斜镜系统的研制建立了良好的基础。     

三自由度GMA油膜轴承可视化实验装置

给出了一种三自由度超磁致伸缩驱动器（GMA）油膜轴承可视化实验装置,介绍了它的组成、工作原理及调整方法。该实验装置利用涡轮蜗杆-丝杠传动机构调整实验主轴竖直高度,采用十字滑台、GMA、模具弹簧调整实验轴承在水平面的位置,方便改变实验轴承偏心率,并可利用GMA控制轴承座,减少转子系统振动。在实验台上,进行了椭圆轴承油膜的温度和压力测量以及轴心静平衡位置调整实验。结果表明:通过控制椭圆轴承短轴油膜来调整所支撑转子系统轴心静平衡位置的效果更明显。该实验台可以采集旋转速度在0~10 000 r/min之间的转子轴心轨迹、控制转子工频振动、观察油膜和气穴的形成与破裂实验,为GMA油膜轴承动态性能实验研究打下了一定基础。      

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

Experimental and numerical study on pressure oscillation in a combustor with rotary valve

A rotary valve coupled in a combustor assembly can generate periodic pressure oscillations inside the combustor and can be used to study the combustion instability in the combustion chamber of a rocket engine. This paper proposes a cold gas flow experimental system based on a rotary valve and a corresponding rotation model. A 3D numerical model is proposed to obtain the transient flow inside the rotary valve, and the dynamic mesh technique and User-Defined Functions (UDFs) are adopted to implement a swing motion instead of a rotary motion. Several cold gas flow experiments are carried out at rotating speeds of 75 225, and 375 rpm to verify the validity of the numerical model. The effects of rotating speed, stroke length ratio and radius of the RED (Rotor Exhaust Duct) on the pressure oscillations are studied using this numerical model. The results show that the maximum and peak-to-peak values of the pressure oscillations gradually decrease with increasing rotating speed. The ratio of the corresponding peak-to-peak value to the maximum pressure (pressure amplitude ratio) is reduced from 1.81 to 0.6%. The stroke length ratio affects the pressure waveform because it leads to a change in the time spent in the non-exhaust stage. When the stroke length ratio is 0, the waveform closely resembles a sine wave. With the increase in the stroke length ratio, the pressure waveform exhibits a more square or a triangular wave shape. Finally, a high-frequency and high-amplitude pressure oscillation can be obtained by appropriately increasing the radius of the RED.     

液体火箭发动机推力室内壁寿命预估

为了分析推力室内壁失效机理及准确预估推力室内壁寿命,对推力室进行流-热-固耦合计算.流-热耦合为热-固耦合提供准确的热和机械载荷,热-固耦合模型对推力室内壁在循环加载下的变形进行非线性平面应变有限元分析.通过计算,得到了推力室内壁在单循环各阶段的应力-应变分布和循环加载下的变形过程,并进行了寿命预估.结果表明:采用的流-固耦合策略能准确地实现流-热耦合模块向热-固耦合模块的载荷传递,能为结构分析提供准确的边界条件.在预冷、后冷和松弛阶段,内壁承受拉应力;在工作阶段,内壁承受压应力.随着循环次数的增加,内壁残余应力和应变不断增大,内壁向燃烧室内鼓起和不断变薄,冷却通道中心最先失效.所采用的分析模型能够模拟内壁在循环热和机械载荷下的变形过程,用于预估推力室内壁的循环寿命.      

GMA椭圆油膜轴承性能实验

为研究超磁致伸缩驱动器（GMA）椭圆油膜轴承性能,搭建了三自由度可控椭圆轴承实验装置,利用GMA动态控制了椭圆轴承所支撑转子的轴心轨迹,观察了椭圆轴承油膜形成和破裂过程,考察了轴径转速、进油压力、偏心率等参数对椭圆轴承油膜气穴位置的影响。实验结果表明:椭圆轴承动态气穴内存在润滑油丝,逆着旋转油流方向移动;随着转速升高或者偏心率增加,椭圆轴承圆周方向油膜破裂边提前;随着转速增加或者进油压力减少,椭圆轴承气穴位置逆着轴向油流方向移动。利用GMA合理控制椭圆轴承短轴油膜间隙,可以更好的抑制转子系统的工频振动。研究结果可为椭圆油膜轴承的稳定性提供参考。      

A numerical model for bird strike on sidewall structure of an aircraft nose

In order to examine the potential of using the coupled smooth particles hydrodynamic(SPH) and finite element(FE) method to predict the dynamic responses of aircraft structures in bird strike events, bird-strike tests on the sidewall structure of an aircraft nose are carried out and numerically simulated. The bird is modeled with SPH and described by the Murnaghan equation of state, while the structure is modeled with finite elements. A coupled SPH–FE method is developed to simulate the bird-strike tests and a numerical model is established using a commercial software PAM-CRASH. The bird model shows no signs of instability and correctly modeled the break-up of the bird into particles. Finally the dynamic response such as strains in the skin is simulated and compared with test results, and the simulated deformation and fracture process of the sidewall structure is compared with images recorded by a high speed camera. Good agreement between the simulation results and test data indicates that the coupled SPH–FE method can provide a very powerful tool in predicting the dynamic responses of aircraft structures in events of bird strike.     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

Aeroservoelastic stability analysis for flexible aircraft based on a nonlinear coupled dynamic model

A unified theoretical aeroservoelastic stability analysis framework for flexible aircraft is established in this paper. This linearized state space model for stability analysis is based on nonlinear coupled dynamic equations, in which rigid and elastic motions of aircraft are both considered. The common body coordinate system is utilized as the reference frame in the deduction of dynamic equations, and significant deformations of flexible aircraft are also fully concerned without any excessive assumptions. Therefore, the obtained nonlinear coupled dynamic models can well reflect the special dynamic coupling mechanics of flexible aircraft. For aeroservoelastic stability analysis, the coupled dynamic equations are linearized around the nonlinear equilibrium state and together with a control system model to establish a state space model in the time domain. The methodology in this paper can be easily integrated into the industrial design process and complex structures. Numerical results for a complex flexible aircraft indicate the necessity to consider the nonlinear coupled dynamics and large deformation when dealing with aeroservoelastic stability for flexible aircraft.     

用于磁悬浮轴承的三电平PWM开关功放设计

三电平PWM开关功放是适用于磁悬浮轴承的新型放大器。本文简述了该放大器的工作原理,在此基础上设计了以FPGA为核心的功放电路。分别介绍了电路各部分组成,工作原理及设计中的注意事项。试验结果证明了此种功放在系统所需频率范围内具有良好的动态特性。