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用.pdf

1、隨著現代高新技術領域的發(fā)展，鐵磁材料在現代工業(yè)中的地位也越來越重要。比如說，電力系統(tǒng)中用于生產、輸送、分配電能的電機(發(fā)電機、變壓器等)中都有大量的鐵磁材料。在這些設備中存在著一系列相當復雜的問題，發(fā)電機和變壓器的振動和噪聲問題就是其中之一。工程人員對電機的研究分析表明，電機的振動和噪聲一個主要的原因是由于其鐵芯振動所導致，因此電磁場誘發(fā)鐵芯這類鐵磁材料的復雜力學變形和運動是鐵芯振動的本質。在通電狀態(tài)下鐵芯中將分布正弦交變的電磁場，在該

2、電磁場作用下，鐵芯鐵磁材料上將會產生電磁力，這是振動和噪聲產生的一個原因；然而，研究人員發(fā)現僅僅考慮電磁力是不夠的，它無法解釋交變電磁場下振動響應所具有的倍頻現象，為此考慮鐵芯硅鋼片在電磁場下的磁致伸縮效應成為一個研究熱點。由此可見如何建立一種表征電磁場下包含磁力和磁致伸縮效用的鐵磁介質變形模式成為探究電機電磁振動和噪聲機理的一個關鍵問題?；谏鲜鲈颍疚恼归_了復雜電磁場下鐵磁介質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關系的研究。為了更好地描述鐵磁材料復雜的磁致伸縮本構行為，本文提出了一個非線性本構模型，其主要特點是能夠較好地反映磁致伸縮應變曲線和磁化曲線隨預應力(或殘余應力)的變化，與實驗結果的比較證實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(包括飽和現象、應力敏感性以及ΔE效應等)；并且對該本構模型進行適當的退化，其對于新興的超磁

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，即磁力和構型變化的研究。由磁能對位移的變分我們得到了一個磁力的表述，該表述與已有能同時描述兩類典型實驗的周又和、鄭曉靜教授給出的磁力表述是一致的。從連續(xù)介質力學的角度，將全局耦合理論與局部耦合理論結合其它力學和磁學的普遍方程，我們給出了一個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算精度的定量計算，對于鐵磁材料在復雜外磁場下的變形研究有著重要的意義。同時，

5、該理論框架適當的簡化之后可用于對超磁致伸縮材料在應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構中的應用研究。這包括超磁致伸縮棒型致動器和嵌入超磁致伸縮層的層狀致動器(超磁致伸縮層合智能梁)。數值模擬結果表明采用非線性磁彈性耦合理論所建立的振動控制模型與已有的采用線性本構所建立的振動控制模型相比具有不可比擬的優(yōu)越性。 總之，本文針對鐵磁材料在外磁場作用下的非線性磁彈勝力