1.一种基于液晶弹性体纤维可自持续摆动的磁摆装置,包括实验平台(1),其特征在于:所述实验平台(1)的顶部安装有单摆支架(6),单摆支架(6)的一侧固定连接有LCE纤维(2),LCE纤维(2)远离单摆支架(6)的一端固定连接有金属摆锤(3),实验平台(1)的顶部安装有金属刻度尺(5),金属刻度尺(5)的顶部滑动连接有磁铁(4),LCE纤维(2)的平衡处施加有恒定光照区域(7),恒定光照区域(7)利用808nm高功率近红外激光器发射的红外光线和太阳光经过放大镜聚焦加热其中的任一种方式实现,金属摆锤(3)倾斜一定角度后在重力和磁铁(4)的磁力作用下维持平衡。
2.根据权利要求1所述的磁摆装置,其特征在于:所述单摆支架(6)包括安装在实验平台(1)顶部的底座(61),底座(61)的顶部固定连接有金属杆(62),金属杆(62)的外部套设有横杆(63),横杆(63)的一侧安装有螺纹杆(64),螺纹杆(64)的外部套设有螺母(65),LCE纤维(2)的一端与螺纹杆(64)固定,横杆(63)与底座(61)之间的距离大于LCE纤维(2)的长度。
3.根据权利要求2所述的磁摆装置,其特征在于:所述横杆(63)的顶部开设有与金属杆(62)相适配的圆孔,横杆(63)的一侧设有一端活动延伸至圆孔内部的螺栓一(8)。
4.根据权利要求1所述的磁摆装置,其特征在于:所述金属摆锤(3)为金属球,金属摆锤(3)的一侧开设有贯穿其圆心的限位孔,LCE纤维(2)的一端活动贯穿限位孔,金属摆锤(3)的大小小于磁铁(4)的大小,磁铁(4)被放置在距单摆支架(6)中心点一段距离的金属刻度尺(5)上用以吸引金属摆锤(3)。
5.根据权利要求1所述的磁摆装置,其特征在于:所述实验平台(1)的顶部固定连接有两个弯折架(9),弯折架(9)与实验平台(1)之间固定连接有限位杆(10),限位杆(10)的外部套设有用于将金属刻度尺(5)向实验平台(1)挤压的弯折板(11),弯折板(11)与实验平台(1)之间固定连接有弹簧(12),弹簧(12)套设在限位杆(10)的外部,弯折板(11)的顶部固定连接有垫片(13),限位杆(10)活动贯穿垫片(13),弯折架(9)的顶部设有一端活动贯穿弯折架(9)的螺栓二(14)。
6.一种用于上述权利要求1-5任一项所述的磁摆装置的摆动轨迹计算方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一,建立磁摆装置的模型,并测量模型参数;
步骤二,根据模型参数计算单摆的运动周期;
步骤三,根据动量矩定理得到磁摆装置的第一控制方程;
步骤四,引入代表LCE纤维的角速度,将第一控制方程进行优化得到磁摆装置的第二控制方程,是LCE纤维与竖直方向的夹角;
步骤五,根据模型参数计算如下无量纲参数:
;
式中,是阻尼系数,是金属摆锤的质量,是LCE纤维的长度,是LCE纤维的初始长度,是磁铁作用在金属摆锤上的磁力,是磁力相对于LCE纤维的力臂,是重力加速度,是磁摆的摆动时间,是磁场强度,是金属摆锤与磁铁的水平距离,去量纲化得到无量纲,是收缩系数,无量纲化后为,是LCE纤维受光照时的热持续时间,是LCE纤维恢复时的热持续时间,T是光功率;
步骤六,将第二控制方程中的模型参数替换为无量纲参数,以获得包含光照区间和非光照区间两种情况的第三控制方程。
7.根据权利要求6所述的摆动轨迹计算方法,其特征在于,在步骤三中,磁摆装置的第一控制方程的表达式为:;
式中,是空气阻尼力矩的切向分量。
8.根据权利要求6所述的摆动轨迹计算方法,其特征在于,在步骤四中,磁摆装置的第二控制方程的表达式为:;
式中,表示LCE纤维的角加速度,表示金属摆锤的径向速度。
9.根据权利要求6所述的摆动轨迹计算方法,其特征在于,在步骤六中,光照区间的第三控制方程的表达式为:;
式中,表示LCE纤维的角速度在光照区间的无量纲形式。
10.根据权利要求6所述的摆动轨迹计算方法,其特征在于,在步骤六中,非光照区间的第三控制方程的表达式为:;
式中,表示LCE纤维的角速度在非光照区间的无量纲形式,n是和的比值。