超磁致伸缩材料(Giant magnetostrictive materials,GMM)作为一种新型功能材料,因其具有居里温度高、磁-机械耦合系数高、频响特性好、磁致伸缩应变量值大等优点得到迅速发展,被广泛应用于驱动电液伺服阀、机械振动控制、能量收集、主动安装、电控喷油器及其他领域。超磁致伸缩驱动器(Giant magnetostrictive actuator,GMA)是基于GMM棒的焦耳效应,在驱动磁场的作用下,GMM棒能够产生轴向位移,来实现GMA位移和力的输出。然而,由于GMM棒本身具有磁滞现象,因而在GMA输入电流与输出位移之间存在着磁滞现象,严重破坏GMA的稳定性,如果GMA置于一个不稳定的工作过程中,对GMA系统的长期预测、控制成为不可能,严重阻碍GMA在机械、精密仪器等领域的应用。目前关于如何提高GMA稳定性的研究,多数集中于控制策略上,对GMA失稳的原因没有深入的研究,对GMA结构稳定性设计严重缺乏完整的理论指导。本文以GMM棒为核心元件设计了一款GMA,围绕GMA振动特性主要完成了以下研究工作:(1)磁路主要为GMA提供激励磁场与偏置磁场叠加的驱动磁场,驱动磁场强度直接影响GMA的输出位移。因此,GMA磁路的结构参数设计是提高电磁转换效率和充分发挥GMM棒特性的关键因素。通过分析GMA的工作原理,将GMM棒中轴线上的磁场强度均匀率作为评价标准和主要设计原则。在给定输出位移和输出力的基础上,分别对偏置磁场选取以及GMM棒、激励线圈、磁回路的结构参数进行设计。(2)依据磁路基尔霍夫定律、安培环路定律、高斯磁通定律及欧姆定律建立GMA磁路数学模型,推导出GMA磁路各部件的结构参数对GMM棒中轴线磁场强度的影响;使用Ansoft Maxwell软件对GMM棒中轴线上静态磁场强度分布进行有限元仿真,得出磁路各部件的结构参数、磁场强度大小和磁场强度均匀性间的映射规律;最后对GMA磁场理论计算与有限元仿真分析结果进行对比。结果表明GMA磁场分布更均匀,使均匀率提高到98.65%,验证设计的正确性。(3)基于非线性压磁方程、Jiles-Atherton(J-A)磁滞非线性模型、二次畴转模型和GMA结构动力学原理,建立了GMA磁滞非线性动力学方程;应用多尺度法分析GMA磁滞非线性动力学系统的主共振,得到该系统幅频响应曲线方程;使用MATLAB数值仿真分析该系统中不同等效阻尼系数、激励磁场强度、预应力、三次刚度项系数与输出响应幅值之间映射规律;采用多尺度法与奇异性理论,确定了该系统余维2的分岔特性;应用Melnikov函数法,求出该系统在Smale马蹄变换意义下出现混沌响应的阈值条件;并对该系统的数学模型进行数值模拟,得到该系统响应随激振力参数变化分岔图、最大Lyapunov指数图及相应的时域波形、相轨迹图、Poincaré图和幅值谱图;使用Adams软件进行实验仿真验证。研究结果表明:在给定GMA参数的条件下,在碟簧和激励线圈的作用下,GMA具有“跳跃”和磁滞现象;GMA系统在一定参数下存在着混沌现象。(4)在给定的GMA磁滞非线性动力学系统参数下,对该系统进行详细的数值模拟,通过求解该系统的响应随系统中各参数变化分岔图,确定该系统产生混沌时各参数的取值范围;采用4阶Runge-Kutta法绘制了该系统中各参数的时域波形、相轨迹图、Poincaré映射图和幅值谱图,并对四种图形进行分析。研究结果表明:系统阻尼系数在(0.05,0.215),(0.38,0.43),(0.51,0.55),(0.61,0.765)和(0.765,1.00)之间为周期解;系统刚度系数在(0.07,0.48),(0.735,0.765),(0.835,0.865)和(0.865,1.00)之间为周期解;碟簧三次刚度项系数在(0.1,0.145)和(0.355,0.38)之间为周期解;激振力在(0.05,0.225),(0.835,0.86)和(0.88,1.00)之间为周期解;激励频率在(0.465,0.59),(0.645,0.67)和(0.72,1.00)之间为周期解。综上所述,本文对GMA设计与特性研究:建立了GMA磁滞非线性动力学系统分岔与混沌特性研究的理论基础;改变各参数可使该系统发生混沌运动,或者避免混沌运动,可以控制该系统的振动特性。该研究为GMA的结构设计和实际应用奠定基础;该结果为GMA结构稳定性设计提供理论依据和技术支持。