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力电磁耦合复合材料力学行为研究

王禾翎  
【摘要】:磁电复合材料能够实现高效的磁电转换,作为磁场传感器、能量收集装置、电子器件等具有重要的潜在应用价值。本文从力学的角度出发,以进一步优化磁电复合材料性能为目标,提出新的设计思路、性能评价指标和分析模拟方法。受理想热机和理想热机效率研究的启发,构造了理想磁电转换机构,识别出决定磁电转换系数的两个本质因素,得到了静态磁电系数的理论极限值。以由杠杆连接磁致伸缩相和压电相的假想磁电转换机构为研究对象,得出了理想机构磁电系数的表达式。典型的磁电复合材料铺层方式,如并联三明治铺层和串联铺层,是该机构的特例,理论推导也验证了典型铺层方式的磁电系数能够由理想机构退化得到。理想情况下磁电复合材料具有应力放大倍数和材料体积比两个设计变量,而典型的磁电复合材料铺层方式只有一个设计变量,因此无法达到磁电性能的理论极限。通过优化理想磁电转换机构的设计变量发现,最常使用的电场磁电系数的理论极限值是无穷大,而通过静电能定义的磁电系数其理论极限是有限值。提出了动态磁电性能的评价指标,开展了动态性能分析优化。由于理论求解得到的磁电系数在共振频率处是无穷大,无法用于衡量和优化性能。本文首先推导了动态磁电系数的表达式,其在频率趋于零时退化到静态解,然后借鉴断裂力学的应力强度因子,分析共振频率处磁电系数的奇异性,提出共振磁电强度因子作为衡量动态性能的指标。通过该指标优化设计结构,发现典型的并联三明治铺层和串联铺层方式由于设计变量受到限制,动态磁电性能也没有达到最优。动态磁场条件下,实现结构在各种频率下共振也是一个重要目标,本文提出在屈曲状态附近振动以实现无限小共振频率的设计思路并通过理论分析验证了其可行性。本文进一步通过数值模拟研究了影响磁电性能的一些复杂因素,首先建立了基于非线性力磁耦合本构的力电磁耦合有限元模型。该有限元模型准确再现了实验测得的本构曲线,并用于定量地研究界面粘接、裂纹、界面弯曲等因素对磁电系数的影响。本文最后以校验材料可靠性为目标发展了力-电-电畴翻转-热耦合有限元模型,用于验证铁电陶瓷在交变电场作用下温升与畴变区演化相互作用导致裂纹扩展的机理。有限元预测的温度随时间、电场幅值、频率、电边界等的变化与文献中报道的实验结果符合良好。该有限元方法结合商业软件Abaqus进行二次开发,提供了一种扩展商业软件计算复杂力电磁耦合行为的思路。


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