磁致伸缩复合悬臂梁式作动器的振动理论和计算分析

发布时间：2023-11-08 20:20

　　随着现代智能控制和结构健康检测技术的发展,具有良好的力磁耦合性质的磁致伸缩作动器被用于相关工程领域,其动态行为是力学、机械工程及电磁器件等多学科的重要研究课题。本文以微机电系统中广泛应用的薄膜型磁致伸缩复合悬臂梁式作动器为工程背景,针对在电磁激励下磁致伸缩双层复合悬臂梁的振动问题,系统地建立了一维和二维磁弹性双层复合梁的振动理论模型,获得了振动响应的解析计算结果。论文的主要研究内容如下:(1)针对磁致伸缩双层复合悬臂梁的线性振动问题,基于Levinson梁位移假设的双层梁理论,建立了考虑高阶剪切效应的相应振动问题的数学模型。导出了以层间挠度和层间剪切应力为基本未知量的振动控制方程,并且此模型可以满足双层梁的位移和应力连续的界面条件以及上下表面应力自由条件。给出了固有频率方程和受迫振动挠度响应的解析解。通过数值算例,分析了相应的振动模态和简谐磁场激励下的动态特征。讨论了材料参数和几何参数对固有频率、挠度响应以及磁机耦合因子的影响,得出了给定激励频率下磁机耦合因子达到最大值时的材料和几何参数的优化结果。(2)分别基于Euler梁和Timoshenko梁位移假设,引入标准平方型磁致伸缩材料的...

【文章页数】：117 页

【学位级别】：博士

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致谢
摘要
Abstract
1 引言
    1.1 研究背景
        1.1.1 超磁致伸缩材料概述
        1.1.2 超磁致伸缩材料的特性
        1.1.3 超磁致伸缩作动器的常见结构及应用
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文主要研究内容
2 磁致伸缩悬臂梁式作动器振动的线性理论分析
    2.1 双层复合磁致伸缩悬臂梁振动的线性理论基础
        2.1.1 基本方程
        2.1.2 定解条件
    2.2 基于Euler梁位移假设的等效单层梁振动理论及分析
    2.3 基于高阶剪切梁位移假设的双层梁振动理论模型及优化分析
        2.3.1 数学模型建立
        2.3.2 问题的解析解
    2.4 数值算例及结果分析
        2.4.1 算例验证
        2.4.2 振动位移模态和参数对固有频率影响
        2.4.3 几何和材料参数的影响
        2.4.4 磁机耦合因子及优化分析
    2.5 本章小结
3 磁致伸缩悬臂梁式作动器振动的非线性理论分析
    3.1 非线性本构关系及能量表达式
    3.2 基于Euler梁位移假设的等效单层梁振动的非线性理论分析
        3.2.1 数学模型的建立
        3.2.2 频率方程及振动响应的解析解
        3.2.3 算例的数值计算结果
    3.3 基于Timoshenko梁位移假设的双层梁非线性振动分析
        3.3.1 数学模型的建立及振动问题的求解
        3.3.2 振动微分方程和边界条件的变分导出
        3.3.3 问题的解析解
    3.4 数值算例与结果分析
        3.4.1 算例验证
        3.4.2 几何和材料参数对固有频率的影响
        3.4.3 幅频曲线和倍频效应
        3.4.4 不同偏置磁场下幅频曲线的特征
        3.4.5 磁感应强度的磁机耦合效应
    3.5 本章小结
4 基于非局部理论的磁致伸缩复合悬臂梁的振动分析
    4.1 问题的数学模型建立
    4.2 振动问题的解析解
    4.3 数值算例及讨论
    4.4 本章小结
5 磁致伸缩复合悬臂梁振动问题的二维理论分析
    5.1 磁弹耦合平面理论基础
    5.2 位移解法——级数形式解
    5.3 待定常数的确定——无穷维代数方程组
        5.3.1 由边界条件导出的待定系数的方程组
        5.3.2 由界面连续条件导出的待定系数方程组
    5.4 数值算例及结果分析
    5.5 本章小结
6 结论与展望
7 参考文献
8 作者简历及在学研究成果
学位论文数据集



本文编号：3861678