超磁致伸缩微致动器的切削模拟及动力学特性分析作 者 姓 名： 指 导 教 师： 讲师单 位 名 称：理学院专 业 名 称：工程力学东 北 大 学2013年6月Cutting Simulation and Dynamic Characteristic Analysis of Giant Magnetostrictive Actuatorby Luan DaweiSupervisor: Lecturer Li DongNortheastern UniversityJune 2013毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：超磁致伸缩微致动器的切削模拟及动力学特性分析设计(论文)的基本内容：1. 利用DEFORM有限元分析软件，对超磁致伸缩微致动器切削过程进行建模。2. 超磁致伸缩微致动器在不同切削深度下进行软件模拟，分析切削力在不同切削速度下的影响。3. 在不同的切削速度和切削深度下进行模拟计算，分析在不同的切削深度和切削速度下对切削力的影响，并模拟出切削力的具体函数。4. 对超磁致伸缩微致动器的切削模型进行动力学特性进行分析。5. 翻译一篇外文文献，尽量忠实于原文进行翻译，勿丢失内容，字数达到要求。毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期20122013学年第一学期第20周指导教师签字：2013年1月11日 lwlw超磁致伸缩微致动器的切削模拟及动力学分析摘 要超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型高效的磁机转换材料，被视作21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。超磁致伸缩材料具有输出力大、位移分辨率高、响应速度快等诸多优势，已在超精密加工、微电子技术、生物工程、光纤对接、微型零件操作等领域显示出广阔的应用前景。利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应而制作的超磁致伸缩微致动器(GMA)是目前国内外微致动领域的研究热点，已取得不少成果，但是对超磁致伸缩微致动器在切削过程中的研究还不是很完善。所以，本文采用有限元方法对超磁致伸缩微致动器切削行分析，并对其进行理论计算。本文利用DEFORM有限元分析软件对超磁致伸缩微致动器切削进行建模，分析了在不同切削速度下切削力的变化，以及研究在不同切削速度下切削深度对切削力的影响。通过对不同切削速度和切削深度下的切削力进行模拟计算，得到了影响切削力变化的主要因素。基于有限元模拟后得到的切削速度切削深度切削力三者之间的关系函数，综合考虑切削进给量和材料特性参数，建立了超磁致伸缩微致动器切削模型的耦合磁弹性动力学方程，对方程进行求解，进而对超磁致伸缩微致动器切削模型进行了动力学分析。关键字：超磁致伸缩微致动器，有限元，切削速度，切削深度，切削力lwlwCutting Simulation and Dynamic characteristic Analysis of Giant Magnetostrictive ActuatorAbstractGiant magnetostrictive material (GMM) is a kind of new material with highly efficiency of conversion of magnetic energy to mechanical energy. As a strategic function material, GMM is considered to be helpful to the overall competitive power of national high science and technology in the 21st. With the advantages of large force, high resolution and quick response, etc, GMM has a wide and bright application prospect in the fields of ultra precision machining, microelectronics technology, biological engineering, optical fiber connection, and the manipulation and assembly of micro parts, etc. Currently, giant magnetostrictive actuator (GMA) based on Joule effect of GMM, becomes research focus in the field of precision actuation. However, research on the cutting process of GMA is not perfect. Therefore, this article had a research on the GMA by using the finite element method and made a theoretical calculation of GMA.The cutting process of GMA was modeled with DEFORM finite element analysis software. In the paper, the variation of the cutting forces at different cutting speeds has been analyzed, and the effect on cutting force from cutting speed at different cutting depth are also discussed. With analog computations of cutting force under the circumstance of different cutting speed and cutting depth, the main factors of the cutting force variation were obtained.Based on the function of the cutting speed, the cutting depth and the cutting force, considering the cutting feed and material parameters, the article established coupling magneto-elastic dynamic equation of giant magnetostrictive micro-actuator. A dynamic analysis was done of the cutting model of GMA with the equation solved.Key words: Giant magnetostrictive actuator, finite element, cutting speed, cutting depth, cutting forcelwlw目 录毕业设计（论文）任务书i摘 要iiAbstractiii目 录iv第1章 绪论11.1 研究背景11.1.1 超磁致伸缩材料的发展11.1.2 超磁致伸缩材料的特性21.1.3 超磁致伸缩材料主要的物理效应31.1.4 超磁致伸缩制动器的应用41.2 本文研究的主要内容和意义71.2.1 主要内容71.2.2 研究意义7第2章 超磁致伸缩微致动器切削建模及切削力分析92.1 DEFORM软件的介绍92.1.1 DEFORM 系统简介92.1.2 DEFORM软件的模块结构102.2 切削建模及过程分析102.2.1 模型与相关参数的确定102.2.2 切削力仿真过程112.3 切削力的分析122.3.1 切削条件的确立122.3.2 数据处理及分析132.4 本章总结18第3章 超磁致伸缩微制动器切削力分析及模型建立193.1 不同切削深度对应切削力的大小193.1.1 后处理过程中相关参数的确定193.1.2 切削深度为0.1mm时193.1.3 切削深度为0.15mm时203.1.4 切削深度为0.2mm时223.1.5 切削深度为0.25mm时233.1.6 切削深度为0.3mm时243.2 研究切削进给量对切削力的影响263.3 确定切削力跟切削速度和深度的关系273.3.1 不同切削速度和深度下切削力的关系273.3.2 用Matlab 软件插值拟合切削函数283.4 本章总结29第4 章 超磁致伸缩微制动器切削过程的动力学分析314.1 磁弹性动力学方程的建立324.2 自激振动的非线性方程求解324.3 在外界激励下的非线性方程求解344.4 总结37第5章 总结与展望39参考文献41致 谢43附录1 外文译文45附录2 外文原文lw第1章 绪论在当前国民经济迅速发展的局势下，能源、科技信息和新型材料成为了当前我国发展的重要支柱，而在高科技领域对高性能材料得到了很大的重视。随着科学技术的迅猛发展，很多新型的高性能材料不断地出现并得到人们的有效利用。超磁致伸缩材料是近期发展起来的一种新型的稀土功能性材料。它具有电磁能与机械能或声能相互转换的功能。稀土超磁致伸缩材料是当前新型的磁致伸缩功能材料，与传统的超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料(PZT)相比较稀土超磁致伸缩材料更具有优点。它具有磁致伸缩应变大，比压电陶瓷材料大倍；而且在超磁致伸缩材料发生应变时产生的推力比其他伸缩材料大；能量转化率高达，而压电陶瓷仅有左右；响应时间即施加磁场到产生相应的应变所需的时间仅为百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可以在低频条件下工作，工作频带宽，稳定性好可靠性高，而且超磁致伸缩性能不随时间的变化而变化，无疲劳和过热失效等问题。稀土超磁致伸缩材料在众多行业的科学研究与生产制造领域得到广泛应，从汽车、电子、光学仪器、机械制造到军工、航空、海洋船舶、石油地质，再到医疗器械、家用电器、办公设备与食品工业，都能涉及到它的使用并占有重要的地位。在国防、航空航天和高技术领域：如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动(如飞机机翼和机器人的自动调控系统)、噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术(医疗、化工、制药、焊接等)、燃油喷射系统等领域1-3，有广阔的应用前景。1.1 研究背景1.1.1 超磁致伸缩材料的发展在国外20世纪60年代初，Legvold等人相继发现了稀土金属Tb和Dy在低温下磁致伸缩系数非常大，但是有序化温度很低。1972年，美国的A.E.Clark博士发现、等二元稀土铁合金在温室下有很大的磁致伸缩系数。1974年Clark又发现了三元稀土铁合金的饱和磁致伸缩系数达到了的数量级，远远比其他材料的伸缩系数要大，并在197