磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器設(shè)計(jì)及參數(shù)分析

張賢才++李麗民

摘 要：該文基于磁控形狀記憶合金（MSMA）材料自主設(shè)計(jì)了一種磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器，并闡述其原理。通過(guò)建立有限元模型， 并對(duì)MSMA相對(duì)空氣導(dǎo)磁率、導(dǎo)磁片的相對(duì)導(dǎo)磁率及電流等參數(shù)進(jìn)行了分析。研究表明：當(dāng)MSMA相對(duì)空氣導(dǎo)磁率為30、電流大小為3 A時(shí)，MSMA棒中心線磁場(chǎng)的均勻性較好；而導(dǎo)磁片的相對(duì)導(dǎo)磁率對(duì)其均勻性影響較小。設(shè)計(jì)出了一種新型磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器，達(dá)到了從理論上充分掌握MSMA棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度及均勻性，并間接地保證了磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器具有較優(yōu)的控制力。

關(guān)鍵詞：磁控形狀記憶合金 作動(dòng)器 相對(duì)導(dǎo)磁率 磁場(chǎng)強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TB381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（c）-0010-04

The Design Of Magnetic Shape Memory Alloy Telescopic Actuator And Parametric Analysis

Zhang Xiancai Li Limin

（Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou HuNan，425199，China）

Abstract：Based Magnetic shape memory alloy （MSMA） materials， this paper designed a retractable magnetic shape memory alloy actuators， and explains its principles. Through the establishment of the finite element model， and MSMA relative air permeability， relative permeability magnetic sheets and current and other parameters were analyzed. Research shows： When MSMA relative air permeability of 30， the current size of 3A， the uniformity of the magnetic field better MSMA rod centerline； and the relative permeability magnetic sheets for its uniformity less affected. A new type of magnetic shape memory alloy actuators designed can achieve theoretically fully grasp the MSMA rod axial magnetic field strength and uniformity， and it can indirectly guarantee the good control ability provided by magnetic shape memory alloy actuators.

Key Word：Magnetic Shape Memory Alloy；Actuator；Relative Permeability；Magnetic Field Intensity

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)MSMA材料在磁場(chǎng)作用下的變形機(jī)理與磁控特性等方面進(jìn)行了大量的研究并取得了相應(yīng)的成果，但對(duì)MSMA的應(yīng)用研究卻處于起步階段。如芬蘭的AdaptaMat公司已將Ni-Mn-Ga合金作為驅(qū)動(dòng)材料應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器的制造中，在國(guó)內(nèi)，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)采用Ni-Mn-Ga合金成功研制了蠕動(dòng)型直線電機(jī)樣機(jī)。2006年，張慶新在其博士論文“磁控形狀記憶合金特性及其執(zhí)行器應(yīng)用基礎(chǔ)研究”中對(duì)MSMA特性、MSMA直線驅(qū)動(dòng)器及差動(dòng)式磁控形狀記憶合金執(zhí)行器進(jìn)行系統(tǒng)的研究[1]，2010年，王社良等研究了磁控形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用[2]；翁光遠(yuǎn)等設(shè)計(jì)了一種磁控形狀記憶合金作動(dòng)器，并對(duì)其控制效果進(jìn)行了研究[3]；2013年，翁光遠(yuǎn)等開(kāi)發(fā)了磁控形狀記憶合金主動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)凱威特型模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的控制性能試驗(yàn)[4]。該文根據(jù)磁控形狀記憶合金材料的基本特性制作一種適用于拉索主動(dòng)控制的磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器，擴(kuò)寬了磁控形狀記憶合金材料的應(yīng)用面。由于作動(dòng)器內(nèi)部磁場(chǎng)分布較復(fù)雜，該文通過(guò)建立MSMA的有限元模型，進(jìn)行了MSMA的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器，并對(duì)其作用原理和參數(shù)進(jìn)行了分析，達(dá)到從理論上充分掌握MSMA棒軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度及均勻性，間接地保證了對(duì)磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器提供較優(yōu)的控制力，為下一步的試驗(yàn)研究提供參考。

1 MSMA作動(dòng)器設(shè)計(jì)及原理

該文設(shè)計(jì)了如圖1所示的磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器，磁控形狀記憶合金棒置于線圈骨架中，其頂端有導(dǎo)磁片、上非導(dǎo)磁墊板和導(dǎo)出桿，并通過(guò)碟簧壓緊在上非導(dǎo)磁墊板上，從而保證了磁控形狀記憶合金棒的位移連續(xù)性，且使磁控形狀記憶合金棒始終處于受壓狀態(tài)。磁控形狀記憶合金棒的預(yù)緊力大小通過(guò)帶有螺紋的上端蓋擰進(jìn)擰出來(lái)調(diào)節(jié)，以便為磁控形狀記憶合金棒提供最佳預(yù)緊力，從而保證了磁控形狀記憶合金棒具有最大位移輸出能力。線圈骨架的外側(cè)纏繞有激勵(lì)線圈，通過(guò)控制激勵(lì)線圈中的電流來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。在激勵(lì)線圈的外側(cè)裝有圓筒形永磁體來(lái)產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，使磁控形狀記憶合金棒產(chǎn)生一定的預(yù)伸長(zhǎng)，永磁體的軸向定位靠調(diào)節(jié)上非導(dǎo)磁墊板的厚度來(lái)保證。在激勵(lì)磁場(chǎng)和偏置磁場(chǎng)的共同作用下，磁控形狀記憶合金棒就可產(chǎn)生需要的位移輸出，并通過(guò)導(dǎo)出桿向控制結(jié)構(gòu)輸出位移。當(dāng)激勵(lì)磁場(chǎng)消失時(shí)，磁控形狀記憶合金棒保持形狀不變，碟簧壓力使其恢復(fù)原來(lái)形狀，完成此作動(dòng)器的作動(dòng)效應(yīng)。endprint

2 MSMA作動(dòng)器有限元模擬

2.1 主要材料特性

2.1.1 MSMA的力學(xué)特性

磁控形狀記憶合金與傳統(tǒng)形狀記憶合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，如圖2所示，隨應(yīng)力的增加，材料首先有一對(duì)應(yīng)單變體的模量。在對(duì)應(yīng)于孿晶界移動(dòng)觸發(fā)的臨界應(yīng)力以上時(shí)，模量降低為，依賴孿晶變體結(jié)構(gòu)，材料可能在達(dá)到去孿晶前具有相變應(yīng)變。接下來(lái)為去孿晶過(guò)程，相變應(yīng)變對(duì)應(yīng)于馬氏體相變的晶體畸變，對(duì)更高的應(yīng)力，模量恢復(fù)到其單變體的值。該文采用的磁控形狀記憶合金為正合金，其應(yīng)力-應(yīng)變主要包括三個(gè)階段，首先是單晶變體的彈性階段，其次是孿晶變形和重組的變形體再定位，然后是單晶變體的彈性變形階段，如圖3所示。

2.1.2 永磁體的H-B曲線

該文采用永磁體材料的Hc=3000 （Amp/m），通過(guò)ANSYS分析得出其H-B曲線如圖4所示。

2.2 MSMA作動(dòng)器模型

首先選擇合適的磁控形狀記憶合金伸縮棒，長(zhǎng)度為120 mm，直徑為24 mm； 通過(guò)考慮MSMA棒的磁致伸縮率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，確定線圈幾何參數(shù)；由于MSMA具有低導(dǎo)磁率特性，故設(shè)計(jì)成閉合磁路，防止漏磁和保持磁場(chǎng)的均勻性。

該文所設(shè)計(jì)的磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器為三維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故可對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。基于ANSYS平臺(tái)進(jìn)行MSMA的磁場(chǎng)分析可忽略彈簧作用，采用平面軸對(duì)稱單元建立有限元模型。本文采用plane53單元四節(jié)點(diǎn)四邊形對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，所建立的有限元模型如圖5所示。

2.3 結(jié)果分析

該文考慮的主要參數(shù)為MSMA的相對(duì)空氣的導(dǎo)磁率、導(dǎo)磁片的相對(duì)導(dǎo)磁率及電流。分析過(guò)程中，MSMA的相對(duì)空氣導(dǎo)磁率取5、10、15、20、25、30及35，導(dǎo)磁片的相對(duì)導(dǎo)磁率取3、5、8、10、20、50及100，輸入的電流取1A、2A、3A、4A、5A及6A，通過(guò)模擬分析得出磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器的磁場(chǎng)均勻分布圖如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6、8可知，MSMA棒中心線磁場(chǎng)強(qiáng)度在MSMA棒的相對(duì)空氣磁導(dǎo)率為30，電流為3 A時(shí)的均勻性最好，故采用這兩個(gè)數(shù)值作為分析作動(dòng)器內(nèi)部磁場(chǎng)的參考值，從圖7可知，導(dǎo)磁片的相對(duì)導(dǎo)磁率對(duì)MSMA棒中心線的磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響基本一致，經(jīng)綜合考慮，本文采用的相對(duì)導(dǎo)磁率為8。

3 結(jié)論

該文基于磁控形狀記憶合金棒材料，設(shè)計(jì)了一種磁控形狀記憶合金伸縮作動(dòng)器，并闡述了其作動(dòng)原理。通過(guò)建立有限元分析，當(dāng)MSMA相對(duì)空氣導(dǎo)磁率為30、電流大小為3A時(shí)，MSMA棒中心線磁場(chǎng)的均勻性較好；而導(dǎo)磁片的相對(duì)導(dǎo)磁率對(duì)其均勻性影響較小，得出的結(jié)果為進(jìn)一步的試驗(yàn)提供相應(yīng)的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張慶新.磁控形狀記憶合金特性及其執(zhí)行器應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2006.

[2] 翁光遠(yuǎn)，王社良.磁控形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，42（5）：631-636.

[3] 翁光遠(yuǎn)，王社良.磁控形狀記憶合金作動(dòng)器設(shè)計(jì)及其控制效果[J].噪聲與振動(dòng)控制，2001（1）：157-162.

[4] 翁光遠(yuǎn)，王社良.磁控形狀記憶合金主動(dòng)控制系統(tǒng)及試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2013，32（1）：43-48.

[5] 張倩，胡仁喜，康士廷.ANSYS12.0電磁學(xué)有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.endprint