[发明专利]超磁致伸缩材料弹性模量测试及其自动建模装置

说明书

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。

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+E_sH+E_dH+E_sσ+E_dσ (1)