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磁-电-弹性层状复合材料多耦合场力学行为的研究

苟小军  
【摘要】:磁电材料是一类实现电能、磁能与机械能之间相互转换的功能性材料,在众多重要的领域展示出了广阔良好的应用前景。磁电器件或者磁电材料协同工作时经常处于极为复杂物理环境中,这些复杂的外场环境在很大程度上严重影响着磁电材料的性能,也会改变磁电器件的磁电转换效率。研究磁电材料性能的多物理场或特殊物理场效应,对于磁电器件系统的设计和应用,以及磁电材料性能参数的测试有着特别重要的意义。磁电器件的可靠性和灵敏性极为重要,层状磁电复合材料在制作过程中受工艺以及科技水平的制约因素,在界面衔接的地方会产生一定的界面缺陷,引起不可能完全消除的机械应力,只能从结构的改善上加以考虑研究。针对磁电材料性能的研究,本文做了以下的研究工作: 首先,就两种不同形式组合下的磁电层状复合材料,引进界面力学中的过渡层假设理论,运用有限元编程方法,探讨了均匀热场环境下磁电层状复合材料的电、力、磁、以及热的多场耦合特征,同时也给出了磁电层状复合结构的磁势、应力、电势以及位移的重要变化规律,研究了界面过渡层厚度的变化,及其不同界面过渡方式对磁电复合材料的电势、磁势、应力、和位移的重要影响。理论研究结果表明,界面过渡层尤其是对磁势的分布特征影响极为明显,对磁势的分布、应力特征、以及电势的分布均具有非常重要的影响。这些重要的研究结果可以为磁电层合材料的结构设计、应用可靠性的分析提供重要的参考和依据。 其次,建立了由压电材料(NEPEC6、 PZT4)和磁致伸缩材料(CoFe2O4)组合而成的三层磁电复合材料的结构仿真模型。采用两端固支边界实际条件,利用有限元软件ANSYS对该模型结构在静态非均匀温度场下的实际情况进行了一定的模拟研究,仔细研究了其力学及电学性能的具体变化,得出非均匀温度场下不同层中的应力、位移、电场以及磁场随着温度荷载不断变化的具体情况。最后,基于磁电弹性层状复合结构界面端奇异性在空间问题上的复杂性,本文通过引进位移势函数的方法推导了磁电弹性复合结构界面端奇异性的电场、位移、应力、以及磁场的通解形式。 总之,本文通过对磁电弹性层状复合材料界面过渡层、均匀温度场、非均匀温度场以及界面奇异性的研究,为磁电材料以及磁电器件的发展和应用提供了相应的理论依据和参考。


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