材料微觀結構與電磁場效應關系的數(shù)值模擬.pdf

1、材料微觀結構對其電磁場效應有著直接的影響，由于受到電磁環(huán)境干擾和實驗材料的不穩(wěn)定性等多方面因素影響，實際工程實驗在研究深度和廣度上受到諸多限制。隨著有限元方法和計算機技術的發(fā)展，人們可以利用有限元方法來模擬微觀結構，以達到材料微觀結構的性能導向型設計和性能預測的目的。本研究在對材料微觀結構進行可視化模擬的基礎上，選擇有限元軟件ANSYS設計了材料電磁場有效作用空間的計算模型，應用Poynting矢量算法計算了材料的電磁場效應。
　

2、　 采用基于傳輸線理論的雙端口算法，應用波導結構模型，從模型長度、模型尺寸級別、模型各部分厚度、單元大小、單元層數(shù)、邊界條件及載荷施加等方面確定了材料電磁場有效作用空間。計算機實驗表明，電磁場有效作用空間各區(qū)的厚度對材料電磁場效應計算影響很小，而各區(qū)的單元層數(shù)才是決定能否真實模擬的關鍵。原因是在有限元計算中，單元是電磁波傳播和衰減的載體，而模型的幾何尺寸僅僅能反映的是電磁波遠場和近場關系。
　　 雙端口算法的的優(yōu)點是不考慮材料

3、本身復雜的電磁場耦合作用，只在外部端口上整體研究電磁波對材料的影響，大大簡化了研究過程。但這種算法帶來了以下缺點：一是當工作頻率進入材料結構的諧振區(qū)時，反射率數(shù)值可能遠遠大于100％，這不利于反射率、透射率和吸收率之間的對比；二是不能計算材料的多角度反射率；三是不能計算多層復合材料的分層吸收率及分層反射率。為了解決這些問題，本文設計了一種新的計算方法，通過可以表征電磁能量流動方向和大小的Poynting矢量來計算材料的電磁場效應。

4、>　　 與本課題組同仁合作，對不同結構的鐵氧體材料進行了微觀結構設計，并以之為例，應用Poynting矢量算法，在鐵氧體材料單元上研究材料在平面電磁波作用下的電磁場效應，解決了目前同類研究中不能計算材料多角度反射問題。計算機實驗表明：鐵氧體材料對平面電磁波有著優(yōu)異的吸收能力，納米球互穿結構鐵氧體材料的電磁吸收能力高于含納米球形孔的材料，這主要是由鐵氧體材料的高電阻率及其復雜的內部結構決定。
　　 應用Poynting矢量算法計

5、算了三層簡單形體結構材料的分層電磁場效應，驗證了方法的可行性。然后，采用這一算法計算了某四結構層復合材料的分層電磁場效應。計算機實驗表明：該結構復合材料在寬頻率范圍內具有較低反射率，在低頻段吸收率較高，隨工作頻率增加吸收率逐漸降低，當工作頻率達到40GHz以上時，吸收率趨于穩(wěn)定，數(shù)值在50%左右。這樣的電磁場效應與復合材料采用了三維纖維編織結構和材料本身的電磁參數(shù)有關。對該結構進行的分層電磁場效應計算結果表明：入射平面電磁波能量主要集中

6、于沿電磁波傳播方向的前兩個結構層上，這與材料的趨膚效應和工作頻率有關。
　　 為了明確復合材料各相基本電磁參數(shù)在電磁場計算中的作用，以四結構層復合材料為研究對象，針對各相復電磁參數(shù)采用正交實驗方法研究了復電磁參數(shù)變化對復合材料電磁場效應的影響規(guī)律。結果表明：復電磁參數(shù)實部增加有利于提高復合材料的電磁吸收率并降低反射率，而復介電常數(shù)虛部影響情況則剛好相反，復磁導率虛部對電磁場效應影響比較小。這與電磁參數(shù)的基本物理意義有關，復電磁參

7、數(shù)實部代表材料的電磁能量儲存能力，實部增加表示材料儲存能量值增加，所以吸收率會上升。最后，為了獲得復合材料寬頻范圍高吸收低反射性能，采用了與纖維分布相關的各向異性電磁參數(shù)計算了四結構層復合材料的電磁場效應。結果表明：在電磁波傳播垂直方向具有較大復電磁參數(shù)實部的材料可以獲得良好的寬頻高吸收低反射電磁性能。
　　 計算機實驗和理論分析證明，采用Poynting矢量算法計算材料的電磁場效應是可行的。研究方法有效的解決了材料的多角度反射