第1期 2017年1月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)01005403
D0I:10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.015
No.1 Jan.2017
基于AE及阶跃效应的T-D棒位移输出仿真分析
汪建新，晋康，常云龙，梁永利
（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010）
摘要：在理论分析弹性柱体纵向振动模态的基础上，利用有限元软件ATILA得到了T-D材料棒在 △E和阶跃效应及两者共同影响下的一阶纵向振动频率，计算得到了T一D材料棒端面纵向振动位移随线圈激励频率变化的输出曲线。分析讨论了△E效应及阶跃效应对T-D材料棒一阶纵向振动模态的影响，发现了线圈激励频率位于T一D材料棒一阶纵向振动固有频率附近时对端面纵向振动值的放大作用。为合理选择T-D材料棒的预应力和偏置磁场大小，用以使T-D材料棒在期望频率范围内获得理想输出性能提供了较为准确的依据。
关键词：T-D材料棒；一阶纵向振动；AE效应；阶跃效应
中图分类号：TH166；TG65
文献标识码：A
The Simulation Analysis of T-D Rod Displacement Output
Based on the Influnce of AE Effect and Step Effect
WANG Jian-xin , JIN Kang , CHANG Yun-long, LIANG Yong-li
( School of Mechanical Engineering , Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou Inner Mon golia014010,China）
Abstract : On the basis of theoretical analysis of longitudinal vibration mode of T-D rod, the first order lon-gitudinal vibration modal of T-D rod under the influence of E effect and step effect was calculated by finite element analysis software ATILA, calculated the T-D rod end longitudinal vibration displacement output curve with the change of coil excitation frequency. Discussed the influence of the E effect and step effect to T-D rod first-order longitudinal vibration mode, found the amplitude amplification effect of coil excitation frequency that around the first order longitudinal vibration of T-D material rod to T-D rod end longitudinal vibration. Provided more accurate basis for reasonable selection of prestress and bias magnetic of T-D rod,
to get the ideal T-D rod output performance at the expected frequency range. Key words: T-D rod;first order longitudinal vibration; AE effect; step effect
0引言
热声制冷机是进人21世纪以来人类为解决能源及环境问题开发的一类具有广阔前景的制冷设备。其主要原理是基于热声效应实现声能与热能之间的转换，利用声能实现泵热1]。所以设计开发强力声源增大声能量对提高热声制冷机的制冷效率及制冷量具有重要的意义。
T-D(Terfenol-D)材料是一种新型的功能材料，是成分主要由钱、镐和铁组成的一类化合物2]。它具有磁致应变量大、驱动电压低、机-电耦合系数高及响应速度快等优点[35]，是电声换能器的理想驱动元件。利用T-D材料独特的AE及阶跃效应，可以通过改变其两端偏置磁场和预应力的大小来调节T-D材料棒的杨
收稿日期：2016-04-10
氏模量和磁致伸缩率。从而使其可以利用共振原理在期望的换能器工作频率上获得大位移输出，带动换能器产生强力声能量。
在国外,Jiles等人建立了铁磁材料磁-机耦合的模型，旨在描述当磁场恒定时应力变化对铁磁材料的磁化强度的影响[6]。Calkins等制作了以超磁致伸缩材料为驱动元件的换能器，研究了在施加常应力时应力对换能器特性的影响规律了。在国内，曹淑瑛等人建立了在常应力作用下T-D换能器的输入电流大小与输出位移之间的关系。
但以上几种模型无法考虑到AE效应和阶跃效应
对T-D材料棒固有频率及其磁致伸缩率的影响。而且现在广泛便用的ANSYS等有限元分析软件都只能利用
*基金项目：国家自然科学基金资助项目：面向热声制冷系统的微型磁致伸缩换能器基础间题研究(51365033）
作者简介：汪建新(1962一），男，内蒙古包头人，内蒙古科技大学教授，博士，研究方向为机械电子工程领域的教学与科研工作，（E-mail)nkdwjx@
万芳数