力电磁耦合复合材料力学行为研究

发布时间：2017-10-07 14:16

  本文关键词：力电磁耦合复合材料力学行为研究

  更多相关文章： 磁电复合材料 多场耦合 优化设计 理论极限性能 有限元

【摘要】：磁电复合材料能够实现高效的磁电转换,作为磁场传感器、能量收集装置、电子器件等具有重要的潜在应用价值。本文从力学的角度出发,以进一步优化磁电复合材料性能为目标,提出新的设计思路、性能评价指标和分析模拟方法。受理想热机和理想热机效率研究的启发,构造了理想磁电转换机构,识别出决定磁电转换系数的两个本质因素,得到了静态磁电系数的理论极限值。以由杠杆连接磁致伸缩相和压电相的假想磁电转换机构为研究对象,得出了理想机构磁电系数的表达式。典型的磁电复合材料铺层方式,如并联三明治铺层和串联铺层,是该机构的特例,理论推导也验证了典型铺层方式的磁电系数能够由理想机构退化得到。理想情况下磁电复合材料具有应力放大倍数和材料体积比两个设计变量,而典型的磁电复合材料铺层方式只有一个设计变量,因此无法达到磁电性能的理论极限。通过优化理想磁电转换机构的设计变量发现,最常使用的电场磁电系数的理论极限值是无穷大,而通过静电能定义的磁电系数其理论极限是有限值。提出了动态磁电性能的评价指标,开展了动态性能分析优化。由于理论求解得到的磁电系数在共振频率处是无穷大,无法用于衡量和优化性能。本文首先推导了动态磁电系数的表达式,其在频率趋于零时退化到静态解,然后借鉴断裂力学的应力强度因子,分析共振频率处磁电系数的奇异性,提出共振磁电强度因子作为衡量动态性能的指标。通过该指标优化设计结构,发现典型的并联三明治铺层和串联铺层方式由于设计变量受到限制,动态磁电性能也没有达到最优。动态磁场条件下,实现结构在各种频率下共振也是一个重要目标,本文提出在屈曲状态附近振动以实现无限小共振频率的设计思路并通过理论分析验证了其可行性。本文进一步通过数值模拟研究了影响磁电性能的一些复杂因素,首先建立了基于非线性力磁耦合本构的力电磁耦合有限元模型。该有限元模型准确再现了实验测得的本构曲线,并用于定量地研究界面粘接、裂纹、界面弯曲等因素对磁电系数的影响。本文最后以校验材料可靠性为目标发展了力-电-电畴翻转-热耦合有限元模型,用于验证铁电陶瓷在交变电场作用下温升与畴变区演化相互作用导致裂纹扩展的机理。有限元预测的温度随时间、电场幅值、频率、电边界等的变化与文献中报道的实验结果符合良好。该有限元方法结合商业软件Abaqus进行二次开发,提供了一种扩展商业软件计算复杂力电磁耦合行为的思路。
【关键词】：磁电复合材料 多场耦合 优化设计 理论极限性能 有限元
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;O341
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 课题背景9-16
• 1.1.1 磁电转换与磁电复合材料9
• 1.1.2 磁电复合材料的组成相9-12
• 1.1.3 磁电复合材料的组成方式12-13
• 1.1.4 磁电复合材料的应用前景13-16
• 1.2 磁电复合材料的研究进展16-19
• 1.2.1 新型磁电复合材料设计方案16-18
• 1.2.2 磁电性能的理论预测18
• 1.2.3 有限元模拟18-19
• 1.3 磁电复合材料的可靠性19
• 1.4 目前研究中存在的问题19-20
• 1.4.1 磁电复合材料的理论分析19-20
• 1.4.2 数值模拟方法20
• 1.5 本文主要研究内容20-22
• 第2章 磁电复合材料的极限性能分析与结构优化22-44
• 2.1 引言22
• 2.2 磁电系数理论极限分析22-32
• 2.2.1 理想磁电转换机构22-23
• 2.2.2 磁电转换系数推导23-25
• 2.2.3 电场磁电转换系数的优化25-26
• 2.2.4 电荷、电压、静电能磁电系数及其优化26-30
• 2.2.5 其他影响磁电系数的因素讨论30-32
• 2.3 典型磁电复合材料铺层方式性能评估32-38
• 2.3.1 优化变量的限制性32-36
• 2.3.2 剪滞效应的影响36
• 2.3.3 四种典型铺层方式的比较36-38
• 2.4 新型磁电复合材料设计方案38-39
• 2.4.1 能够实现磁电系数理论极限值的设计方案38-39
• 2.4.2 通过串并联提高电压和电荷磁电系数的设计方案39
• 2.5 典型磁电复合材料铺层方式的理论解39-43
• 2.5.1 并联三明治铺层40-42
• 2.5.2 串联铺层42-43
• 2.6 本章小结43-44
• 第3章 磁电复合材料的动态性能分析与优化44-75
• 3.1 引言44
• 3.2 共振频率处磁电转换能力的衡量指标44-48
• 3.2.1 共振频率处磁电系数的奇异性分析45-46
• 3.2.2 共振磁电强度因子的定义46-47
• 3.2.3 影响共振磁电强度因子的因素47-48
• 3.3 共振磁电强度因子的理论极限值48-55
• 3.3.1 假想杠杆机构的共振磁电强度因子48-55
• 3.3.2 典型铺层方式的评估55
• 3.4 几种典型磁电复合材料的动态解55-64
• 3.4.1 考虑剪滞效应的并联三明治铺层55-59
• 3.4.2 任意多层并联铺层磁电复合材料59-64
• 3.5 屈曲状态附近的磁电转换64-72
• 3.5.1 控制方程和边界条件64-65
• 3.5.2 屈曲和后屈曲分析65-67
• 3.5.3 静态磁电系数67-68
• 3.5.4 动态磁电系数68-72
• 3.6 薄膜磁电复合材料在屈曲状态附近的行为72-74
• 3.7 本章小结74-75
• 第4章 磁电复合材料非线性力电磁耦合有限元模拟75-94
• 4.1 引言75
• 4.2 控制方程和有限元格式75-80
• 4.3 基于磁畴旋转的非线性力磁耦合80-81
• 4.3.1 由磁畴分布确定磁致伸缩应变和磁化强度80-81
• 4.3.2 由磁场和应力确定磁畴分布81
• 4.4 基于电畴翻转的非线性力电耦合81-83
• 4.4.1 由电畴状态确定材料性质和本征量82
• 4.4.2 由电场和应力决定电畴翻转82-83
• 4.5 磁电复合材料中的力电磁场分布83-87
• 4.5.1 本构曲线84
• 4.5.2 层状磁电复合材料内的力电磁场分布84-87
• 4.6 界面粘接对磁电性能的影响87-93
• 4.6.1 粘接层剪切模量和厚度的影响87-90
• 4.6.2 弯曲界面层状磁电复合材料90-91
• 4.6.3 界面裂纹对磁电性能的影响91-93
• 4.7 本章小结93-94
• 第5章 铁电陶瓷温升效应的力电热耦合有限元模拟94-106
• 5.1 引言94
• 5.2 非线性力 -电 -电畴翻转 -热耦合有限元模型的建立94-97
• 5.2.1 控制方程94-95
• 5.2.2 电场、应力与电畴翻转之间的耦合95-96
• 5.2.3 热量、温度与电畴翻转之间的耦合96
• 5.2.4 结合Abaqus的实现方案96-97
• 5.3 温升与畴变区模拟结果97-102
• 5.3.1 计算模型与参数97-98
• 5.3.2 温度与畴变区的演化98
• 5.3.3 温升与实验结果的比较98-101
• 5.3.4 畴变区与大范围畴变模型预测结果的比较101-102
• 5.3.5 畴变区与温升区的比较102
• 5.4 缺陷的危险程度评估102-103
• 5.5 本章小结103-106
• 第6章 总结与展望106-108
• 参考文献108-119
• 致谢119-121
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果121

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本文编号：988311