CN113155609B - 超磁致伸缩材料弹性模量测试及其自动建模装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)弹性模量测试及其自动建模装置，可对GMM在多种环境下开展弹性模量测试与自动建模工作。通过励磁线圈电流闭环控制、伺服加载机构加载力闭环控制不但可为GMM提供静/动态磁场和压应力，而且能够调节偏置磁场和预压力。导向套和导磁块灵活的更换和安装方式可为不同直径和长度的GMM进行弹性模量测试。通过在线圈骨架中加工腔体，并通入冷却液，与GMM棒和励磁线圈换热充分，消除环境温度对材料性能的影响。通过在多种静/动态环境下测试GMM弹性模量并自动得到数学模型，对于开展新型GMM性能测试验证、超磁致伸缩作动器动力学特性及控制方法研究具有重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及超磁致伸缩材料性能测试与自动建模领域。
背景技术
超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)作为一种新型战略性智能材料，因其具有能量转换效率高、磁致伸缩系数大、频响特性好、能量密度高等特性，在减振领域得到广泛应用。GMM在不同加载环境下，弹性模量发生明显改变，不能近似等效为一个常数，可看作是固定环境下弹性模量的增量改变，这种现象被称为ΔE效应。ΔE效应虽然增强了GMM应力- 应变非线性关系，但却使其在变刚度半主动减振及谐振频率主动调控领域受到青睐。GMM弹性模量的复杂非线性特征，不但会引起参数共振，对超磁致伸缩作动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)动力学特性产生重要影响，而且对如何调节控制参数实现变刚度控制起到关键性作用。由于GMM具有强烈的动态磁机敏感和迟滞特性，其弹性模量与外加磁场、负载、温度的大小及变化速率密切相关，其多场耦合特征明显。通过不同材料与烧结工艺制造出来的新型GMM，首先需要在多场环境下测试其弹性模量，验证新型材料机械性能是否符合设计要求。当GMM应用于实际工程实例中，需要测试其弹性模量并进行自动建模，对于充分发挥材料特性，提高其被控特性起到关键性作用。因此，如何基于多场动态环境，搭建GMA的弹性模量测试系统，识别其敏感环境参数特征，并建立弹性模量准确数学模型，对于开展GMA动力学特性及控制方法研究具有重要作用。
发明内容
鉴于上述问题，基于GMM多场动态环境敏感性，设计了一种GMM弹性模量测试及其自动建模装置，能够在多场环境下测试GMM弹性模量并自动建模。不但为新型GMM研制性能测试验证起到关键性作用，而且对于建立GMA动力学模型并开展敏感参数特性研究奠定重要基础，推动基于GMA 变刚度系统设计理论发展。
为实现上述目的，本发明为一种超磁致伸缩材料弹性模量测试及其自动建模装置，包括：支架、外壳、线圈骨架、励磁线圈、导磁块、导向套、电流驱动器、伺服加载机构、输出杆、力传感器、激光测距仪和测控系统。被测试GMM棒与导磁块和导向套一同放置线圈骨架中心处，通过更换导磁块和导向套可以对不同直径和长度的GMM棒进行测试。GMM棒通过输出杆与力传感器联接，激光测距仪通过测试输出杆的位移变化得到GMM棒伸缩长度。伺服加载机构通过力反馈闭环控制既可以为GMM棒施加不同的预压力，也可以实现静/动态加载。励磁线圈缠绕在线圈骨架上，通过电流驱动器电流闭环控制可以在励磁线圈上施加大小和频率不同的电流，为GMM棒提供不同偏置磁场强度及静/动态磁场强度。线圈骨架采用空心化设计，在其内部通入恒温冷却液，可与励磁线圈及GMM棒进行充分热交换，保持其恒定的工作温度。测控系统可实时采集力传感器和位移传感器信息，通过计算得到 GMM棒的弹性模量，实时绘制弹性模量变化曲线，并根据弹性模量历史曲线自动得到弹性模量模型。
GMM弹性模量测试及其自动建模装置可在不同环境温度、静/动态磁场强度和压应力下测试其弹性模量并能够自动建模。由于GMM在不同静/动态磁场强度和应力作用下，其弹性模量发生较大变化，因此其弹性模量E为
E＝E0+EsH+EdH+Esσ+Edσ (1)
式中E0为材料在没有外界磁场和应力干扰下测试得到的基础弹性模量； EsH为静态磁场弹性模量，是指在不同预压力下改变静态磁场强度测试得到相对E0增量；EdH为动态磁场弹性模量，是指在不同预压力下施加不同斜率的动态磁场强度测试得到相对E0和EsH增量；Esσ为静态应力弹性模量，是指在不同偏置磁场强度下改变静态压应力测试得到相对E0增量；Edσ为动态应力弹性模量，是指在不同偏置磁场强度下施加不同斜率动态压应力测试得到相对E0和Esσ增量。
1)基础弹性模量E0测试
在线圈骨架中通入恒温冷却液，确保GMM恒定的工作温度。通过伺服加载机构施加压力F1,F2…Fn，采用激光测距仪测试GMM棒变形为 x1,x2…xn。当GMM棒横截面积为S，长度为l时，GMM基础弹性模量为 E0。
2)静态磁场弹性模量EsH测试及建模
静态磁场弹性模量ESH是指仅在外加静态磁场强度作用下，导致GMM棒弹性模量增值变化。在线圈骨架中通入恒温冷却液，确保GMM恒定的工作温度。通过伺服加载机构为GMM棒施加预压力F0，且一直保持恒力F0伺服闭环。在励磁线圈中通入直流电流I1提供磁场强度，采用激光测距仪测试 GMM棒变形为x1；励磁线圈中电流增加ΔI，采用激光测距仪测试GMM棒变形为x2，此时GMM弹性模量E＝F0l/S(x2-x1)，则在预压应力为σ0＝F0/S下，静态磁场弹性模量EsH＝E-E0。逐渐升高然后再降低励磁线圈中电流I，测试不同磁场强度下静态磁场弹性模量EH。改变伺服加载机构加载压力F0，提供不同预压应力σ0，通过为励磁线圈中施加电流改变磁场强度，测试得到不同预压力和磁场强度下，以电流I和预压应力σ0为变量下的静态磁场弹性模量EsH。在测控系统中通过二维变量多项式拟合算法得到 EsH＝f(I,σ0)。
3)动态磁场弹性模量EsH测试及建模
动态磁场弹性模量EdH是指仅在外加动态磁场强度作用下，导致GMM棒弹性模量相对静态磁场弹性模量增值变化。在线圈骨架中通入恒温冷却液，确保GMM恒定的工作温度。通过伺服加载机构为GMM棒施加预压力F0，且一直保持恒力F0伺服闭环。在励磁线圈中通入斜率为α的三角波电流I，提供动态磁场强度，采用激光测距仪测试GMM棒形变增量Δx，得到弹性模量 E＝F0l/SΔx，则在预压应力为σ0＝F0/S下得到动态磁场弹性模量 EdH＝E-E0-EsH。改变励磁线圈电流斜率和预压应力σ0，测试得到不同预压力和电流斜率下，以电流I、电流斜率
和预压应力σ0为变量下的动态磁场弹性模量EdH。在测控系统中通过三维变量多项式拟合算法得到
4)静态应力弹性模量Esσ测试及建模
静态应力弹性模量Esσ是指仅在外加静态应力作用下，导致GMM棒弹性模量增值变量。在线圈骨架中通入恒温冷却液，确保GMM恒定的工作温度。通过在励磁线圈中施加直流电流I0，提供偏置磁场强度H0。通过伺服加载机构力闭环控制施加压应力σ＝F/S，采用激光测距仪测试GMM棒变形为x1；施加压应力的增量为Δσ，采用激光测距仪测试GMM棒变形为x2，此时GMM 弹性模量E＝Fl/S(x2-x1)，则在偏置磁场强度I0下，静态应力弹性模量 Esσ＝E-E0。逐渐升高然后再降低压应力σ，测试不同压应力下静态应力弹性模量Esσ。改变励磁线圈电流I0，提供不同偏置磁场强度H0，通过伺服加载机构改变压应力σ，测试得到不同压应力和偏置磁场强度下，以电流I0和压应力σ为变量下的静态应力弹性模量Esσ。在测控系统中通过二维变量多项式拟合算法得到Esσ＝f(σ,H0)。
5)动态应力弹性模量Edσ测试及建模
动态应力弹性模量EdH是指仅在外加动态应力作用下，导致GMM棒弹性模量相对静态应力弹性模量增值变量。在线圈骨架中通入恒温冷却液，确保 GMM恒定的工作温度。在励磁线圈中通入电流I0，提供偏置磁场强度H0。通过伺服加载机构施加斜率为β的三角波应力σ，提供动态压应力，采用激光测距仪测试GMM棒形变增量Δx，得到弹性模量E＝σl/Δx，则在偏置磁场强度为H0下得到动态应力弹性模量Edσ＝E-E0-Esσ。改变伺服加载机构加载压应力斜率
和偏置磁场强度H0，测试得到不同偏置磁场强度和压应力斜率下，以压应力σ、压应力斜率
和偏置磁场强度H0为变量下的动态应力弹性模量 Edσ。在测控系统中通过三维变量多项式拟合算法得到
当GMM偏置磁场强度为H0，预压应力为σ0时，可得到GMM弹性模量在输入动态电流和压应力情况下弹性模量E为
优选地，线圈骨架采用中空式设计，可通入冷却液与励磁线圈和GMM 换热充分，保持稳定的温度环境；
优选地，伺服加载机构为高频响加载装置，可对GMM棒进行静/动态伺服加载；
优选地，导向套为非导磁材料，通过改变导向套筒内径，可对不同直径 GMM棒进行测试；
优选地，外壳及导磁块为非导磁材料，通过改变导磁块长度，可对不同长度GMM棒进行测试。
优选地，电流驱动器可通过电流闭环控制为励磁线圈提供直流及高频响的动态电流。
本发明为GMM提供弹性模量测试及其自动建模，通过多种实验测试得到GMM棒准确的弹性模量数学模型，对其应用于变刚度调节及动力学特性研究奠定了良好的模型基础。
附图说明
下面结合附图对本发明进行说明。其中：
图1是根据本发明一个实施方式的GMM弹性模量测试台结构示意图；
图2是根据本发明一个实施方式的GMM弹性模量测试台测控系统原理图；
图3是根据本发明一个实施方式的线圈骨架结构示意图；
图4是根据本发明一个实施方式的线圈骨架中冷却液流动示意图。
具体实施方式
下文将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。应当理解，下面说明的实施方式仅仅是示例性的，而非限制性。
如图1所示，GMM弹性模量测试台包括：支架1、激光测距仪2、伺服加载机构3、输出杆4、外壳5、励磁线圈6、线圈骨架7、导磁块8、导向套 9、力传感器10。
如图1所示，励磁线圈6缠绕在线圈骨架7中，线圈骨架7安装在外壳5 中，导向套9安装放置至线圈骨架7中心处，将GMM棒11安装至导向套9 中心处，为GMM棒11变形提供导向，通过改变导向套9内径可测试多种直径GMM棒11弹性模量。在GMM棒11两端分别安装导磁块8，通过改变导磁块8的长度，可测试多种长度GMM棒弹性模量。外壳5和导磁块8选用导磁性材料，励磁线圈6产生的磁场经外壳5和导磁块8形成闭合磁路，漏磁量较少，而且GMM棒8处于励磁线圈6中心处，磁场比较均匀。输出杆4 安装至导磁块8中心处，GMM棒8可驱动输出杆4运动。力传感器10通过螺纹分别与输出杆4和伺服加载机构3连接，一方面可以测试GMM棒11 的输出力，另一方面与伺服加载机构3形成闭环控制回路，准确对GMM棒 11加载。伺服加载机构3和外壳5通过螺栓固定在支架1中，由支架1提供稳定的加载基础。激光测距仪2通过螺栓固定在支架1中，通过非接触式测量输出杆4的输出位移，从而得到GMM棒11的输出位移。导磁块8、输出杆4、支架1和外壳5都选用弹性模量远远大于GMM棒11的材料制作而成。
如图2所示，GMM弹性模量测试台测控系统包括：控制中心12、数据控制卡13、数据采集卡14、温控系统15、电流驱动器16、电流传感器17、温度传感器18。控制中心12根据控制指令、数据采集卡14采集信息及控制算法向数据控制卡13发出控制命令，并能够根据数据采集卡14采集的数据信息绘制弹性模量曲线，通过多项式拟合算法给出弹性模量数学模型。测控系统主要包括三条闭环控制回路：1)电流驱动器16、励磁线圈6和电流传感器17形成电流闭环回路，通过电流闭环控制改变GMM棒11的磁场环境；2) 伺服加载机构3和力传感器10形成力加载闭环回路，通过力闭环控制改变 GMM棒11的加载应力；3)温控系统15和温度传感器18闭环控制，保持冷却液温度恒定，确保GMM棒11和励磁线圈6恒定工作温度。
如图3、图4所示，线圈骨架7包括：端盖19、骨架外壳20和隔板21。在骨架外壳20中加工腔体22，采用隔板21将腔体22分割成相连的多个区域，端盖19将腔体22密封。在端盖19上加工进水口23和出水口24，这样冷却液由进水口23进入腔体22中，按照图4所示的方式在隔板21将腔体22分割成的腔体之间流动，最终经出水口24返回。
基于该公开，在图示和说明特征的配置和操作序列中的许多变形例对于本领域技术人员而言是明显的。因而，应当领略的是，在不偏离权利要求主题的精神和范畴的情况下，可以对本专利做出各种改变。
Claims (1)
1.一种超磁致伸缩材料弹性模量测试及其自动建模装置，其特征在于包括：支架(1)、激光测距仪(2)、伺服加载机构(3)、输出杆(4)、外壳(5)、励磁线圈(6)、线圈骨架(7)、导磁块(8)、导向套(9)、力传感器(10)、控制中心(12)、数据控制卡(13)、数据采集卡(14)、温控系统(15)、电流驱动器(16)、电流传感器(17)和温度传感器(18)；电流驱动器(16)、励磁线圈(6)和电流传感器(17)形成电流闭环回路，通过电流闭环控制改变GMM棒(11)的磁场环境，为其提供偏置磁场及静/动态加载磁场；伺服加载机构(3)和力传感器(10)形成力加载闭环回路，通过力闭环控制改变GMM棒(11)的加载应力，为其提供预压力及静/动态加载压应力；温控系统(15)和温度传感器(18)闭环控制，保持冷却液温度恒定，确保GMM棒(11)和励磁线圈(6)恒定工作温度；在线圈骨架(7)的骨架外壳(20)中加工腔体(22)，采用隔板(21)将腔体(22)分割成相连的多个区域，将温控系统中冷却液通入腔体(22)中，保持GMM棒(11)和励磁线圈(6)恒定的工作温度；两块导磁块(8)分别置于GMM棒(11)轴端两侧，提升磁场环境均匀性，GMM棒(11)置于导向套(9)内孔中，通过改变导向套(9)内径和导磁块(8)的长度，可对多种长度和直径的GMM棒弹性模量进行测试；控制中心(12)通过开展基础弹性模量、静态磁场弹性模量、动态磁场弹性模量、静态应力弹性模量和动态应力弹性模量测试实验，得到GMM弹性模量曲线并通过多项式拟合得到多场环境下弹性模量模型。
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- 2021-04-14 CN CN202110398074.5A patent/CN113155609B/zh active Active
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Also Published As
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|---|---|
| CN113155609A (zh) | 2021-07-23 |
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