温度对稀土超磁致伸缩换能器输出特性的影响研究

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1、学校代码10530学号201110081244分类号TB51+2密级公开硕士学位论文温度对稀土超磁致伸缩换能器输出特性的影响研究学位申请人王亚普指导教师龙士国教授学院名称材料与光电物理学院学科专业材料科学与工程研究方向材料的无损检测技术二〇一四年六月万方数据TheeffectoftemperatureontheoutputfeaturesofrareearthMagnetostrictiveTransducerCandidateYaPuWangSupervisorProfessorShiguoLongC

2、ollegeFacultyofMaterials,OptoelectronicsandPhysicsProgramMaterialScienceandEngineeringSpecializationNon-destructiveTestingTechnologyofMaterialsDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2014万方数据湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

3、究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存

4、和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日万方数据摘要随着科技的进步，对智能材料的研究及其在各个领域的应用引起越来越多的重视。稀土超磁致伸缩材料是智能材料的一种，由于其具有磁致伸缩应变大、能量密度高、工作频带宽、响应快、可靠性好以及精度高等优异特性，成为制作换能器的理想材料，例如用于无损检测超声换能器、致动器、位移驱动器等。但是，由于超磁致伸缩材料对温度比较敏感，在实际应用中，温度对换能器的输出特性有较大的影响。因此，本文从环境温度和换能器内部产热两个方面，分

5、析其对换能器动态输出特性的影响。主要研究内容和相关结论如下：(1)超磁致伸缩换能器基本特性的分析。利用有限元软件COMSOLMultiphysics建立换能器的模型，依次进行稳态分析、参数扫描分析、瞬态分析。计算结果表明：增大加载电流，换能器的轴向磁场分布均匀度降低，而输出位移先增大，之后达到饱和；增大线圈匝数，磁场均匀度和位移均呈增大趋势，且位移变化最后也趋近于饱和。(2)环境温度对超磁致伸缩换能器输出特性的影响。利用曲线拟合软件1stOpt将不同温度下的磁致伸缩应变曲线，拟合成关于磁场和应变的函数关

6、系，再导入有限元软件，分析环境温度对输出特性的影响。结果表明：在室温20℃条件下，随着加载时间减小，输出位移的首波振幅呈先增后减的趋势，而余振显著增强，换能器的分辨率降低；在相同的加载时间下，随着环境温度升高，换能器输出位移的振幅明显降低，余振和余振差值也呈降低趋势；经过傅立叶转换，可得出换能器的输出频率分布比较均匀，工作频率范围在7.5kHz之内，输出能量大小随温度升高而降低。然后，利用插值函数的方法导入杨氏模量在不同温度下的变化规律，结果表明：随环境温度升高，振幅下降趋势更加显著，余振相对较小且衰减

7、极快，固有频率有所降低。(3)换能器的磁滞损耗、涡流损耗及线圈产热所引起的内部温度场对其动态输出特性的影响。首先，利用热应力模块模拟磁滞损耗、涡流损耗和线圈产热引起的温度变化，发现前两者引起的温度升高较为明显。然后，利用软件中的PDE模块建立磁-机械-温度三场耦合模型，结果表明：若换能器内部温度场恒定，温度越高，其输出位移的振幅越低，且输出波形的平衡位置略有下降；当换能器在瞬态变化的温度场下工作时，随着温度逐渐升高，换能器振动的峰值降低。另外，增大所加载的初始预应力，换能器振动输出波形的峰值相对增大，但

8、增幅减小，且引起的输出误差百分比有所下降。通过本文的研究，得到了环境温度及换能器自身产热对输出特性的影响，相关结论对磁致伸缩换能器的开发及实际应用提供一定理论指导。关键词：稀土超磁致伸缩换能器；温度；磁场分布；动态输出特性；磁-机械-温度三场耦合I万方数据AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,researchandapplicationaboutintelligentmateria