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超磁致伸缩材料力磁耦合特性实验研究

赵沛  
【摘要】:超磁致伸缩材料TbDyFe合金是一种新型的功能材料,常被称为Terfenol-D,以具有响应速度快、输出应变大和能量密度高以及磁晶各向异性低等优点在现代高新技术领域应用广泛,但TbDyFe合金在磁场、应力场以及力磁耦合场作用下具有复杂的非线性响应特征,直接与智能系统的性能指标和精确、可靠运行相关。本学位论文针对超磁致伸缩材料TbDyFe合金在力磁耦合作用下静、动态耦合特征以及应用于功能器件中的动力学问题进行了实验研究。 首先,研究了具有110择优定向的超磁致伸缩TbDyFe合金棒材(成分为Tb0.27Dy0.73Fe1.95、Tb0.3Dyo.7Fe1.95和Tb0.45Dyo.55Fe1.95合金)在力磁耦合作用下的磁弹性特性,分别给出了三种材料在不同外加载荷作用下的不同磁特性、磁致伸缩和力学特性,并结合铁磁学磁畴理论解释了实验结果和现象,揭示了不同成分的TbDyFe合金力磁耦合性能上的差异,其结果的获得奠定了理论研究的基础以及便于实际工程的选择和应用。 其次,针对超磁致伸缩材料动态特性实验研究,自行设计实验装置和针对性强的软件测控系统。动态装置可以满足力磁耦合动态实验要求;测控软、硬件可以完成实验装置的自动运行和材料动态特性的测试与数据保存,能够测定材料动态本构模型中所需的超磁致伸缩材料基本力学参数、物理参数等,实现了材料力磁耦合动态情形测试和以超磁致伸缩材料为基础的功能器件特性研究。与商用成套设备和软件相比,便于应用其它动力学特性实验研究,且易于扩展和提高相应功能。 利用研制的动态实验装置和测控系统,实验研究了超磁致伸缩材料TbDyFe合金力磁耦合时变特征时的磁致伸缩动态特性行为,包括针对TbDyFe合金棒材在不同预应力、时变磁场(包括激励磁场时变幅值和时变激励频率)和有、无偏置磁场作用下的动态特性实验测量,得到了多种力磁耦合磁致伸缩动态响应特性。发现动态加载磁场的频率变化对超磁致伸缩动态响应特性的影响最为突出。 最后,开展了超磁致伸缩执行器动力学响应特征实验研究。超磁致伸缩材料本身具有强的力磁耦合非线性特性,应用于执行器系统中,执行器结构与超磁致伸缩材料本身形成的整体系统耦合使执行器输出特性更加复杂。通过对执行器内部超磁致伸缩材料施加预应力和偏置磁场,分别研究了执行器基本共振频率变化特性和简谐激励作用下执行器输出特征变化特性,利用波形图、相图和频谱图对实验数据进行分析,得到了超磁致伸缩执行器的动力学响应特征规律。 总之,通过本文的工作,完善了现有的超磁致伸缩材料110定向的TbDyFe合金的力磁耦合行为实验研究,为更加深入开展理论研究和探讨以此类材料为主要元件的智能器件的设计和应用问题奠定了一定的实验基础。


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