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超磁致伸缩材料多场耦合的非线性时变本构理论及其若干应用

作　者: 王天忠
导　师: 周又和
学　校: 兰州大学
专　业: 固体力学
关键词: 磁致伸缩效应 Terfenol-D 非线性磁-弹-热耦合频率相关性磁滞涡流效应超磁致伸缩换能器机械损耗主磁滞回线小磁滞回线磁电复合材料磁电效应乘积效应
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

超磁致伸缩材料(GMM)是21世纪一种极具战略性的新型智能材料,它具有输出应变(或应力)大、机电转换效率高、能量密度大、响应速度快等许多优异性能,在现代高新技术领域(例如换能器、磁电(ME)复合材料)中有着十分广泛的用途,受到学术界、工业界尤其是国防研究中的高度重视。然而,大量的实验研究结果表明超磁致伸缩材料表现出非线性的磁-弹-热耦合特性和频率相关的磁滞特性。此外,在材料的具体应用中,还会涉及到材料与器件构形变化间的耦合相互作用。以上两个层次的多重强非线性耦合相互作用严重制约了以超磁致伸缩材料为核心元件的众多智能器件的性能表征、优化设计和具体使用。为此,本文针对超磁致伸缩材料本构关系的定量描述及其在换能器与磁电复合材料中的具体应用进行了系统、深入的理论与数值仿真研究。首先,基于热力学理论和能量守恒原理,分别建立了超磁致伸缩材料磁-弹-热耦合的磁致伸缩模型和频率相关的磁化模型。继而通过有效磁场将材料的磁致伸缩模型和磁化模型耦合起来构成了超磁致伸缩材料多场耦合的非线性时变本构模型。该模型保留了磁致伸缩模型和磁化模型的优点,可全面、有效地刻画实验观测到的材料固有的磁-弹-热耦合行为和频率相关的磁滞行为,同时有效解决了磁滞回线在拐点处的负磁化率问题,从而为超磁致伸缩材料的性能表征及其在智能器件中的进一步应用提供了完善的本构理论。其次,以超磁致伸缩材料多场耦合的非线性时变本构模型为基础,结合换能器的结构动力学原理及力学与位移边界条件,建立了研究超磁致伸缩换能器复杂系统的耦合理论框架——超磁致伸缩换能器多场耦合的非线性时变动力模型。通过数值算例强调了非线性时变动力模型建立过程中同时考虑材料层次和器件层次的耦合相互作用的重要性和必要性,显示了新建的非线性时变动力模型在全面描述无偏和有偏加载情形下超磁致伸缩换能器的多场耦合行为和静、动态磁滞行为方面的准确性和有效性。以上研究内容为超磁致伸缩换能器的性能表征、优化设计及其进一步在主动振动控制中的应用提供了有效的理论分析方法。最后,针对层状磁电复合材料复杂的磁-弹-电耦合问题,建立了一新的既包含线性耦合相互作用又包含非线性耦合相互作用的理论框架。通过与实验测量结果和线性理论框架的定量、定性比较,充分证明了新建的非线性理论框架在层状磁电复合材料的性能表征、优化设计方面的准确性和便利性,指出了理论研究中考虑磁致伸缩相非线性的磁-弹耦合特性的重要性和必要性。以上研究内容为基于Terfenol-D的层状磁电复合材料的性能表征、优化设计及其进一步在致动器和传感器中的应用提供了基本的理论指导。总之,通过本文的研究,初步显示了力学方法在研究多重耦合强非线性复杂系统方面的广阔前景与潜在优势,补充和完善了现有超磁致伸缩材料本构理论研究方面的不足,为超磁致伸缩换能器和基于Terfenol-D的层状磁电复合材料的性能表征、优化设计及其具体使用奠定了理论基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-35
  §1 .1 研究背景  12-24
    1.1.1 磁致伸缩现象与机理  12-15
    1.1.2 超磁致伸缩材料的基本特性与优异性能  15-21
    1.1.3 超磁致伸缩材料在换能器与磁电复合材料中的具体应用  21-24
  §1.2 研究现状  24-32
    1.2.1 磁致伸缩本构关系的研究现状  24-29
    1.2.2 超磁致伸缩换能器的研究现状  29-30
    1.2.3 磁电复合材料的研究现状  30-32
  §1.3 本文工作  32-35
第二章超磁致伸缩材料多场耦合的非线性时变本构模型  35-52
  §2.1 预备知识  35-40
    2.1.1 应力各向异性  35-37
    2.1.2 Weiss分子场理论  37
    2.1.3 静、动态加载下的能量损耗  37-40
  §2.2 磁致伸缩模型  40-43
  §2.3 磁化模型  43-48
    2.3.1 有效磁场  43-44
    2.3.2 理想磁化  44-45
    2.3.3 整体磁化  45-48
  §2.4 模型简化  48-51
    2.4.1 超磁致伸缩材料多场耦合的静态磁滞本构模型  48-49
    2.4.2 超磁致伸缩材料磁-弹-热耦合的非线性理想本构模型  49-50
    2.4.3 超磁致伸缩材料磁-弹耦合的非线性理想本构模型  50-51
  §2.5 本章小结  51-52
第三章超磁致伸缩换能器多场耦合的非线性时变动力模型  52-69
  §3.1 换能器简介  52-54
  §3.2 理论框架  54-62
  §3.3 数值算法  62-68
  §3.4 本章小结  68-69
第四章无偏加载下超磁致伸缩换能器的多场耦合磁滞特性  69-87
  §4.1 模型验证  69-75
    4.1.1 磁致伸缩应变与整体应变的比较  71-72
    4.1.2 涡流效应的影响  72-73
    4.1.3 结构动力行为的影响  73-75
  §4.2 无偏静态加载下换能器的多场耦合磁滞特性  75-81
    4.2.1 Weiss分子场效应  76-77
    4.2.2 不同预应力下的多场耦合磁滞特性  77-79
    4.2.3 不同温度下的多场耦合磁滞特性  79-81
  §4.3 无偏动态加载下换能器的多场耦合磁滞特性  81-85
    4.3.1 Weiss分子场效应  81-82
    4.3.2 不同驱动频率下的多场耦合磁滞特性  82-84
    4.3.3 不同温度下的多场耦合磁滞特性  84-85
  §4.4 本章小结  85-87
第五章有偏加载下超磁致伸缩换能器的多场耦合磁滞特性  87-107
  §5.1 模型验证  87-89
  §5.2 最优偏磁场及其影响因素  89-93
    5.2.1 不同预应力下的最优偏磁场  90-91
    5.2.2 不同温度下的最优偏磁场  91-93
  §5.3 小磁滞回线的影响因素  93-105
    5.3.1 交变磁场的频率和幅值对小磁滞回线的影响  93-98
    5.3.2 偏条件对小磁滞回线的影响  98-105
  §5.4 本章小结  105-107
第六章基于Terfenol-D的层状磁电复合材料磁电效应的理论研究  107-126
  §6.1 层状磁电复合材料简介  107-110
  §6.2 理论框架  110-115
  §6.3 层状磁电复合材料磁电效应的影响因素  115-124
    6.3.1 直流偏磁场对复合材料磁电效应的影响  116-118
    6.3.2 压电材料的压电性能对复合材料磁电效应的影响  118-120
    6.3.3 Terfenol-D层的体积分数及界面耦合参数对复合材料磁电效应的影响  120-124
  §6.4 本章小结  124-126
第七章结束语  126-129
参考文献  129-141
在学期间的研究成果  141-142
致谢  142

超磁致伸缩材料多场耦合的非线性时变本构理论及其若干应用

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