超磁致伸缩材料在换能器中的应用研究

【摘要】： 稀土超磁致伸缩材料(GMM)是近年来发展起来的一种新型功能材料,具有磁致伸缩应变大、磁机耦合系数高、响应速度快、能量密度高等优异特性,已在机电领域显示出良好的应用前景。本论文以这种新型的功能材料为基础,以基于该类材料的换能器为研究对象,在超磁致伸缩材料Terfenol-D的工作特性,超磁致伸缩换能器的设计与数值分析等方面进行了较为深入与系统的研究,从而为超磁致伸缩换能器的深入研究提供了依据,同时也为超磁致伸缩器件的设计提供了理论依据。 本文在以下几方面开展了研究工作: 从磁致伸缩现象及其应用机理入手,较为系统地对超磁致伸缩材料的“跳跃”效应、?E效应、温度效应、倍频效应、涡流效应等特性进行了分析与阐述,为高效、合理地应用超磁致伸缩材料奠定了理论基础。简述了超磁致伸缩材料的国内外研究现状与发展历史。 综述了超磁致伸缩换能器的应用研究现状、发展趋势及目前存在的主要问题。根据稀土超磁致伸缩材料的工作特性,结合超磁致伸缩换能器设计的几个关键问题,给出了设计的超磁致伸缩换能器的结构简图,介绍了其工作原理,并提出了超磁致伸缩换能器结构设计的方法,其中包括线圈骨架的设计、激励线圈的设计、偏置磁场的设计、磁路设计、预压力的设计及辐射板的设计。 简要介绍了有限元法及其软件,以及与本课题相关的有限元理论。使用ANSYS软件对设计的超磁致伸缩换能器采用压电-压磁比拟法进行了有限元分析,并得出了超磁致伸缩换能器工作时,Terfenol-D棒在磁-机耦合场作用下,超磁致伸缩棒内部的径向应力、应变分布规律,这对换能器的整体性能研究都具有重要参考意义。分析还表明:Terfenol-D棒的纵向位移与轴向磁场的频率相同,说明通过施加偏置磁场确实消除了倍频效应的影响。此外,还采用温度应力-磁致伸缩应力类比法对超磁致伸缩换能器进行了有限元分析,所得Terfenol-D棒的上端的中心节点的纵向位移值与实验测试值比较接近,从而表明该方法是可行的,开辟了ANSYS软件求解磁致伸缩问题的新思路。 最后概括了全文的主要研究成果,并展望了今后需进一步开展的工作。