鐵磁材料非線性磁彈性耦合理論及其在超磁致伸縮智能材料中的應(yīng)用.pdf

1、隨著現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，鐵磁材料在現(xiàn)代工業(yè)中的地位也越來越重要。比如說，電力系統(tǒng)中用于生產(chǎn)、輸送、分配電能的電機(jī)(發(fā)電機(jī)、變壓器等)中都有大量的鐵磁材料。在這些設(shè)備中存在著一系列相當(dāng)復(fù)雜的問題，發(fā)電機(jī)和變壓器的振動(dòng)和噪聲問題就是其中之一。工程人員對(duì)電機(jī)的研究分析表明，電機(jī)的振動(dòng)和噪聲一個(gè)主要的原因是由于其鐵芯振動(dòng)所導(dǎo)致，因此電磁場(chǎng)誘發(fā)鐵芯這類鐵磁材料的復(fù)雜力學(xué)變形和運(yùn)動(dòng)是鐵芯振動(dòng)的本質(zhì)。在通電狀態(tài)下鐵芯中將分布正弦交變的電磁場(chǎng)，在該

2、電磁場(chǎng)作用下，鐵芯鐵磁材料上將會(huì)產(chǎn)生電磁力，這是振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的一個(gè)原因；然而，研究人員發(fā)現(xiàn)僅僅考慮電磁力是不夠的，它無法解釋交變電磁場(chǎng)下振動(dòng)響應(yīng)所具有的倍頻現(xiàn)象，為此考慮鐵芯硅鋼片在電磁場(chǎng)下的磁致伸縮效應(yīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。由此可見如何建立一種表征電磁場(chǎng)下包含磁力和磁致伸縮效用的鐵磁介質(zhì)變形模式成為探究電機(jī)電磁振動(dòng)和噪聲機(jī)理的一個(gè)關(guān)鍵問題?；谏鲜鲈?，本文展開了復(fù)雜電磁場(chǎng)下鐵磁介質(zhì)非線性磁彈性耦合問題的研究。 首先，本文研究的

3、是局部耦合理論，即非線性力磁耦合磁致伸縮本構(gòu)關(guān)系的研究。為了更好地描述鐵磁材料復(fù)雜的磁致伸縮本構(gòu)行為，本文提出了一個(gè)非線性本構(gòu)模型，其主要特點(diǎn)是能夠較好地反映磁致伸縮應(yīng)變曲線和磁化曲線隨預(yù)應(yīng)力(或殘余應(yīng)力)的變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較證實(shí)它能夠比已有模型更精確、更全面地刻畫鐵磁材料在磁性、磁彈性(磁致伸縮和逆磁致伸縮)和彈性方面的非線性力-磁耦合行為(包括飽和現(xiàn)象、應(yīng)力敏感性以及ΔE效應(yīng)等)；并且對(duì)該本構(gòu)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶?，其?duì)于新興的超磁

4、致伸縮智能材料也是適合的。其次，我們研究的是全局耦合理論，即磁力和構(gòu)型變化的研究。由磁能對(duì)位移的變分我們得到了一個(gè)磁力的表述，該表述與已有能同時(shí)描述兩類典型實(shí)驗(yàn)的周又和、鄭曉靜教授給出的磁力表述是一致的。從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的角度，將全局耦合理論與局部耦合理論結(jié)合其它力學(xué)和磁學(xué)的普遍方程，我們給出了一個(gè)非線性磁彈性耦合理論框架。該理論框架既能用于定性分析又能保證較高計(jì)算精度的定量計(jì)算，對(duì)于鐵磁材料在復(fù)雜外磁場(chǎng)下的變形研究有著重要的意義。同時(shí)，

5、該理論框架適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化之后可用于對(duì)超磁致伸縮材料在應(yīng)用中的力磁變形分析。 在新建立的非線性磁彈性耦合理論框架下，本文給出了其在超磁致伸縮智能材料和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究。這包括超磁致伸縮棒型致動(dòng)器和嵌入超磁致伸縮層的層狀致動(dòng)器(超磁致伸縮層合智能梁)。數(shù)值模擬結(jié)果表明采用非線性磁彈性耦合理論所建立的振動(dòng)控制模型與已有的采用線性本構(gòu)所建立的振動(dòng)控制模型相比具有不可比擬的優(yōu)越性。 總之，本文針對(duì)鐵磁材料在外磁場(chǎng)作用下的非線性磁彈勝力