超磁致伸缩换能器多场耦合非线性模型及其数值分析

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1、分类号：TM密级：UDC：621.3编号：201221401034河北工业大学硕士学位论文超磁致伸缩换能器多场耦合非线性模型及其数值分析论文作者：薛胤龙学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：电气工程指导教师：黄文美职称：教授资助基金项目：河北省自然科学基金项目（E2014202246）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofElectricalEngineeringMulti-FieldCouplingNonlinearModelandNu

2、mericalAnalysisforGiantMagnetostrictiveTransducerbyXueYinlongSupervisor:Prof.HuangWenmeiDecember2014ThisworksupportedbytheNaturalScienceFoundationofHebeiProvince(No.E2014202246).摘要超磁致伸缩换能器是一种基于超磁致伸缩材料将电磁能转化成机械能的电磁装置。大量实验结果表明，超磁致伸缩换能器在正常工作状态下的输出特性随磁场、应力场、温度场的多场耦合作用而明显变化。因此，

3、建立超磁致伸缩材料和换能器的多物理场耦合非线性模型具有实际意义。首先，本文通过对几种经典的磁致伸缩材料的对比和分析，选取Terfenol-D棒为超磁致伸缩换能器的核心元件。基于热力学理论，着重考虑温度效应对于材料特性的影响，建立了能表征磁致伸缩材料自身磁－机－热多场耦合特性的非线性应变模型，并进一步分析温度效应对材料磁致伸缩应变和材料整体应变的影响。然后，基于磁－机－热多场耦合磁致伸缩材料非线性应变模型，从能量守恒原理出发，考虑钉扎损耗、涡流损耗和附加损耗的影响，分析饱和磁化强度、可逆系数、钉扎系数在温度效应下的变化，建立了与频率相关的磁化

4、强度方程，通过牛顿迭代法求得磁化强度的值，从而求得磁致伸缩材料层次的输出应变，并对磁致伸缩材料多场耦合动态磁滞行为进行分析，为建立换能器系统层次模型提供了基础。最后，基于建立的超磁致伸缩材料层次输出应变模型，考虑换能器振动的结构动力学模型和相应的边界条件，从一维振动角度出发，采用有限元分析方法，构造出包含矩阵向量的二阶暂态动力学方程，推导出质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和激励矢量的表达式，从而建立了反映材料和器件双层次多场耦合作用的超磁致伸缩换能器模型。为了验证所建立模型的正确性和有效性，利用编程软件对换能器的输出应变进行了数值计算，模型的计

5、算结果和相应的实验结果吻合较好。关键字：超磁致伸缩换能器多场耦合模型动态损耗温度效应非线性IABSTRACTGiantmagnetostrictivetransducerisanelectro-magneticdeviceconvertingtheelectromagneticenergyintomechanicalenergybasedongiantmagnetostrictivematerial.Manyexperimentshaveshownthatoutputcharacteristicsofgiantmagnetostrictiv

6、ematerialchangeclearlyaffectedbymulti-fieldcouplingeffect,whichincludesmagneticfield,stressfieldandtemperaturefield.Therefore,buildinganonlinearmulti-fieldcouplingmodelofgiantmagnetostrictivematerialandtransducerhaspracticalsignificance.First,theTerfenol-Dischosenasthekeyc

7、omponentofthegiantmagnetostrictivetransducerthroughcomparingandanalyzingseveralclassicgiantmagnetostrictivematerialsinthispaper.Basedonthetheoryofthermodynamics,thispaperfocusesontemperatureeffectformaterialpropertiestodevelopacouplingnonlinearstrainmodeldescribingitsownma

8、gnetic-mechanical-thermalcouplingcharacteristics.Italsoanalyzestheinfluenceoftemperaturee