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。     

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.      

超磁致伸缩电静液作动器的试验研究与特性分析

超磁致伸缩材料驱动的电静液作动器具有结构高度集成、性能影响因素多以及理论分析复杂等特点,为寻求超磁致伸缩电静液作动器可靠的理论分析方法以提高其输出性能,首先搭建了超磁致伸缩执行器与作动器试验测试平台,完成了执行器与作动器动态特性对比试验,在准确测试与观察试验现象的基础上,对超磁致伸缩电静液作动器进行结构分解,以各环节固有频率为理论分析切入点,采用试验、理论与有限元分析相结合的方法,分析了悬臂梁阀片、管路、液压缸以及蓄能器等动态特性对作动器输出性能的影响规律,总结出符合试验结果的理论分析方法并确定了影响与制约作动器输出性能的关键环节,最后提出了超磁致伸缩电静液作动器优化改进方案,优化后作动器试验结果显示:在200 Hz左右、0.6 MPa的偏压作用下,选取0.15mm厚度的阀片,作动器的输出性能达到最佳,其输出流量最大可达1.2L/min。     

超磁致伸缩执行器的驱动电路及接口设计

介绍了采用超磁致伸缩执行器自行开发的切削振动控制系统,论述了该系统中的超磁致伸缩执行器的驱动电路和接口的设计过程。根据超磁致伸缩材料的驱动特性,该驱动电路设计成一个连续可调的恒流源。     

考虑电涡流效应的射流管伺服阀建模及频率特性

针对射流管伺服阀在电-磁-力-位移转换过程中的响应滞后问题,建立了考虑电涡流效应的力矩电动机数学模型,获取了力矩电动机的频率特性。以某型射流管伺服阀为例,建立了考虑电涡流效应的射流管伺服阀数学模型,得到了主要性能参数对伺服阀频率特性的影响规律。结果表明:气隙长度、气隙磁导率的增加以及气隙有效面积的减小会导致伺服阀响应变慢,控制线圈匝数不影响伺服阀的频率特性,导磁材料电导率的减小能提高伺服阀的响应速度。对伺服阀进行试验研究,理论值和试验值之间的差值约为5%,验证了所建模型的正确性和有效性。     

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.     

柔性铰链放大式超磁致伸缩致动器磁弹耦合模型

针对超磁致伸缩致动器(GMA)输出位移有限的问题,采用柔性铰链放大机构放大GMA输出位移,利用材料力学理论、拉格朗日动力学方程和有限元法对柔性铰链放大机构的位移放大倍数、动力学特性进行了分析.结合Jiles-Atherton(J-A)模型和二次畴转模型建立了柔性铰链放大式GMA的磁弹耦合模型,并在软件AMESimSimulink联合仿真环境中进行了数值仿真.制作了柔性铰链放大式GMA样机,对其进行了动态性能实验,仿真和实验表明:经过放大,柔性铰链放大式GMA输出位移可以达到0.4mm;频带宽超过100Hz;所建立的磁弹耦合模型是有效的.     

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.     

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。     

超磁致伸缩电静液作动器磁场分析与优化

提出一种超磁致伸缩电静液作动器（GMEHA）结构,采用永磁体与控制线圈组合提供驱动磁场.首先建立了该组合磁路数学模型,并给出了超磁致伸缩棒内磁感应强度计算解析式;其次,对以上结构进行了有限元分析（FEA）,得出了磁路主要结构参数与磁场分布均匀性之间映射规律;最后进行了作动器磁场试验研究并与有限元分析结果进行了对比,验证了理论与有限元模型的可预测性,给出了该电静液作动器结构设计方法.结果表明:该电静液作动器的最佳驱动频率为250Hz,最大无负载体积流量为0.85L/min,最大阻断力达到了120N.      

激励器结构对三电极等离子体高能合成射流流场及其冲量特性的影响

等离子体激励器以其结构简单、响应速度快、环境适应性强等优势,已成为主动流动控制技术和流体力学研究的前沿与热点。相比于传统两电极激励器,三电极等离子体高能合成射流激励器具有更高的能量效率,形成射流冲量更大,有望成为新型快响应直接力产生装置。为揭示激励器结构对射流流场和冲量特性的影响规律,进而优化激励器结构参数,利用电参数测量装置、高速阴影系统及自主设计的单丝扭摆式微冲量测量系统对不同射流孔径、腔体体积和电极间距的三电极激励器放电特性、射流流场及其冲量进行了实验研究。为对比激励器在不同工况条件下的工作特性,定义无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量 I *,并分析了激励器结构参数对ε和 I *的影响。结果表明对于给定无量纲能量沉积ε,激励器存在最优射流孔径;激励器无量纲能量沉积ε和无量纲射流冲量I *随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加;射流强度及其流场影响区域随腔体体积增加而减小,随激励器电极间距增加而增加。对比不同腔体体积和电极间距工况条件下 I *随ε的变化可知,为设计具有较好射流冲量水平的激励器,在相同无量纲能量沉积ε条件下,应尽量增大激励器无量纲射流冲量 I *。当设计激励器无量纲能量沉积ε小于初始工况时,应增大初始工况激励器腔体体积使无量纲能量沉积ε降低至设计值;当设计激励器无量纲能量沉积ε大于初始工况时,应增大初始工况激励器电极间距使无量纲能量沉积ε增加至设计值,使设计激励器具有较好的射流冲量水平。     

合成双射流矢量特性影响因素分析

为了拓展合成双射流作动器在无人机推力矢量控制方面的应用,需要对合成双射流作动器结构进行优化,提高其矢量性能。通过分析合成双射流的特性,引入了以射流冲程为基础的无量纲距离,建立了射流矢量角的计算方法,并以此为评价指标,采用单因素试验法分析了合成双射流作动器无量纲结构参数对射流矢量角的影响机制和规律。利用极差分析法获得了各参数对射流矢量角影响的显著程度:出口宽度出口长度出口间距出口深度腔体高度,提出了作动器结构参数设计的原则。     

合成射流流场数值模拟及激励器参数分析

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道及外部受控流场作为单连域计算处理的全流场计算模型———X L模型,并进行了二维数值计算。基于数值计算获得的激励器出口数度分布,对合成射流激励器结构参数及驱动因素对合成射流的影响进行了分析,得到了表示激励器参数和出口最大速度关系的相关函数,为设计强劲且高效率的合成射流激励器提供参考。     

超磁致伸缩材料作动器的研制及特性分析

 采用自制的TbDyFe超磁致伸缩材料设计并制作了主动振动控制用超磁致伸缩作动器 ,并对其偏置磁场、激励磁场、静态特性、动态特性和主动控制减振效果进行了测试和分析。研究结果表明 ,作动器工作应变在TbDyFe材料的线性区 ,其总伸缩量可达 70 μm。低频动态特性好 ,谐频影响小。在自适应滤波控制方式下使用该作动器对正弦振动进行主动控制减振 ,减振效果达到 30dB。磁场均匀性对作动器输出特性有明显影响 ,采用Ansys有限元软件精确设计作动器激励磁场 ,可提高超磁致伸缩材料沿轴向磁场均匀性。     

辅助进气激励器强化喷流混合的数值模拟

对采用高动量的辅助进气激励器和“常规”激励器强化的高速、大尺度喷流混合进行了数值模拟研究。对比了辅助进气激励器和“常规”激励器吹气射流对流向涡、喷流拍动、阻塞面积的影响,分析了合成射流强化喷流混合的流动滞后现象。结果表明:合成射流强化喷流混合中的辅助进气激励器在吹气时间、吹气动量、峰值动量比方面要明显优于“常规”激励器。合成射流强化喷流混合由激励器迟滞和流场迟滞两部分组成。“常规”激励器和辅助进气激励器射流峰值动量都滞后于活塞峰值速度时刻19.5%，流场滞后峰值动量时刻5%左右。相比于“常规”激励器,采用辅助进气激励器的“小突片”堵塞面积较大,强化喷流混合的效果更好。      

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术（PIV）,测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构。结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流。新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体＂微泵＂工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的＂定向输运＂,其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制。     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

一种微型侧喷式压电合成射流器的设计

设计了一种侧喷型合成射流器,考察了射流器喷口结构尺寸对射流速度的影响,计算了不同喷口宽度下的动量系数,确定了喷口的最优尺寸,并在攻角为23°的NACA0015翼型进行了数值仿真模拟。结果表明,合成射流器可以有效的抑制边界层流动分离。同时设计了器件的加工工艺流程并完成了器件的加工。