Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:Springer Verlag

作者:Kaltenbacher, Manfred

出品人:

页数:428

译者:

出版时间:

价格:$ 145.77

装帧:HRD

isbn号码:9783540713593

丛书系列:

图书标签:

• Mechatronics
• Sensors
• Actuators
• Numerical Simulation
• Modeling
• Control Systems
• Engineering
• Robotics
• Automation
• Computational Physics

机械电子传感器与执行器中的数值模拟 一、 前言 在现代工程领域，机械电子系统已成为不可或缺的一部分。从高精度工业机器人到智能汽车控制系统，再到航空航天中的精密机构，传感器和执行器是连接物理世界与数字控制的核心。然而，要实现高性能、高可靠性的系统，必须深入理解这些机电设备的工作机理，预测其动态响应，并优化其设计参数。传统的实验方法成本高昂且耗时，尤其是在早期设计阶段。因此，数值模拟技术作为一种强大的工具应运而生，它使得工程师能够在虚拟环境中对复杂的物理现象进行建模、分析和预测。 本书旨在为读者提供一套系统的、面向实际应用的数值模拟方法论，专注于机械电子传感器与执行器的核心问题。我们不局限于单一的物理领域，而是深入探讨多物理场耦合的复杂性，这正是理解现代机电系统行为的关键所在。 二、 理论基础与建模方法 本书的开篇将构建坚实的理论基础，涵盖连续介质力学、电磁学、热力学以及控制理论的基础知识。我们重点阐述如何将这些基础物理定律转化为可用于数值求解的数学方程。 2.1 有限元方法 (FEM) 的深化应用 有限元法是结构分析和场分析的基石。本书将详细介绍如何针对传感器和执行器中的弹性体、压电材料和磁性材料构建高效的FEM模型。讨论将涵盖网格划分策略，特别是处理尖锐几何特征和多尺度问题的技巧。我们将特别关注高阶单元的使用及其对精度和收敛性的影响，以及如何有效实施本构方程，特别是涉及非线性材料行为（如磁滞现象或超弹性）的情况。 2.2 边界元方法 (BEM) 与其在开放场问题中的优势 对于某些具有无限边界或复杂边界条件的执行器问题（如声学耦合或电磁辐射），边界元方法提供了比传统FEM更简洁的建模途径。本章将介绍 BEM 的基本原理，并展示其在分析非线性边界条件下的电磁设备时的应用潜力，以及如何将 BEM 与 FEM 有效地耦合（FEM/BEM 混合方法）。 2.3 离散化技术与时间积分方案 数值模拟的效率高度依赖于空间和时间的离散化策略。我们将探讨各种时间积分方案（如显式、隐式欧拉法、Runge-Kutta 方法）在模拟执行器快速动态响应时的适用性。对于涉及阻尼和振动的系统，我们将深入分析如何选择合适的积分算法以确保稳定性和保真度，同时讨论处理刚度矩阵奇异性或接近奇异性的数值技巧。 三、 传感器系统的数值模拟 传感器是信息采集的关键。本书将聚焦于如何通过模拟来预测和优化传感器的性能指标，如灵敏度、带宽和抗干扰能力。 3.1 压电与静电传感器的建模 对于基于压电效应的传感器（如加速度计、压力传感器），电-固耦合是核心。我们将构建一个完整的压电有限元模型，重点分析电极布局、材料极化方向对传感输出的影响。对于电容式传感器，我们将模拟微小位移引起的电容变化，特别关注由制造公差和环境温度变化引起的寄生电容效应的量化。 3.2 电磁传感器的场分析与噪声抑制 电感式和霍尔效应传感器需要精确的磁场分析。本书将详细阐述如何使用磁标量势和磁矢量势进行二维和三维磁场求解。对于磁致伸缩（如应变片式传感器），我们将研究磁场、应力和电磁场之间的三向耦合，以精确预测传感器漂移和迟滞误差。我们还会探讨如何利用屏蔽技术和优化几何形状来最小化外部电磁干扰对测量信号的影响。 3.3 光学传感器的仿真 对于基于光纤或光栅的传感器，模型的建立需要考虑波导效应和光-物质相互作用。我们将介绍如何使用有限差分时域 (FDTD) 方法来模拟光在传感器结构中的传播，从而预测光强度、相位变化与被测量之间的关系。 四、 执行器系统的数值模拟 执行器是系统输出的物理实现者。模拟的重点在于提高其响应速度、精度和功率效率。 4.1 电机驱动系统的耦合分析 永磁同步电机 (PMSM) 和步进电机是常见的机电执行器。本书将专注于电磁-机械-热耦合仿真。在电磁方面，关注转矩脉动和损耗的预测；在机械方面，分析转子动力学、轴承摩擦和结构振动；在热方面，评估绕组温升对磁性材料性能的影响。我们将展示如何利用有限元结果驱动的等效电路模型，实现高效的系统级动态仿真。 4.2 智能材料执行器（如形状记忆合金与电活性聚合物） 智能材料执行器因其独特的驱动能力而受到关注。对于形状记忆合金（SMA），其相变是强非线性的，本书将介绍热-力-相变耦合模型，并讨论如何使用用户自定义材料子程序 (UMAT/UEL) 将复杂的本构关系集成到通用有限元框架中。对于电活性聚合物 (EAP)，我们将模拟其在电场作用下的应变响应，重点分析介电击穿风险和长期耐久性。 4.3 微机电系统 (MEMS) 执行器的优化 MEMS 执行器，如微镜、微泵或微夹持器，其驱动力通常很小，且受制于微米级的间隙和表面效应。本书将探讨如何精确模拟范德华力、静电力和流体粘性力在微尺度上的作用。我们将使用专门的求解器技术来处理这些效应，并对驱动电压、结构刚度进行参数扫描，以确定最佳的驱动谐振频率和行程范围。 五、 仿真结果的验证与后处理 一个成功的数值模拟不仅在于求解过程，更在于结果的可靠性和工程价值。 5.1 模型简化与降阶 全三维、全耦合模型计算成本极高。本章将教授如何通过模态分析、特征值提取和平衡方程简化技术，将高维模型降阶为适合实时控制的低阶模型（如状态空间模型）。我们将讨论保真度与计算效率之间的权衡。 5.2 不确定性量化与鲁棒性分析 由于材料参数、制造公差和环境载荷存在不确定性，设计必须具备鲁棒性。我们将介绍蒙特卡洛模拟和响应面法，用于评估输入不确定性对输出性能（如系统误差或寿命）的影响，从而指导稳健设计。 5.3 结果可视化与工程解释 高质量的可视化是传递复杂仿真结果的关键。本书将涵盖如何有效地后处理应力云图、磁通密度分布、瞬态位移场，并将其与实验测量数据进行对比，确保数值模型的工程有效性和可信度。 总结 本书汇集了从基础理论到高级应用的数值模拟技术，旨在使读者能够独立构建、求解并分析复杂的机械电子传感器和执行器模型。掌握这些工具，将是未来精密机电系统设计与创新的核心竞争力。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆