本文關(guān)鍵詞：力電磁耦合復(fù)合材料力學(xué)行為研究

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【摘要】：磁電復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)高效的磁電轉(zhuǎn)換,作為磁場(chǎng)傳感器、能量收集裝置、電子器件等具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。本文從力學(xué)的角度出發(fā),以進(jìn)一步優(yōu)化磁電復(fù)合材料性能為目標(biāo),提出新的設(shè)計(jì)思路、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和分析模擬方法。受理想熱機(jī)和理想熱機(jī)效率研究的啟發(fā),構(gòu)造了理想磁電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),識(shí)別出決定磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的兩個(gè)本質(zhì)因素,得到了靜態(tài)磁電系數(shù)的理論極限值。以由杠桿連接磁致伸縮相和壓電相的假想磁電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,得出了理想機(jī)構(gòu)磁電系數(shù)的表達(dá)式。典型的磁電復(fù)合材料鋪層方式,如并聯(lián)三明治鋪層和串聯(lián)鋪層,是該機(jī)構(gòu)的特例,理論推導(dǎo)也驗(yàn)證了典型鋪層方式的磁電系數(shù)能夠由理想機(jī)構(gòu)退化得到。理想情況下磁電復(fù)合材料具有應(yīng)力放大倍數(shù)和材料體積比兩個(gè)設(shè)計(jì)變量,而典型的磁電復(fù)合材料鋪層方式只有一個(gè)設(shè)計(jì)變量,因此無(wú)法達(dá)到磁電性能的理論極限。通過(guò)優(yōu)化理想磁電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量發(fā)現(xiàn),最常使用的電場(chǎng)磁電系數(shù)的理論極限值是無(wú)窮大,而通過(guò)靜電能定義的磁電系數(shù)其理論極限是有限值。提出了動(dòng)態(tài)磁電性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),開(kāi)展了動(dòng)態(tài)性能分析優(yōu)化。由于理論求解得到的磁電系數(shù)在共振頻率處是無(wú)窮大,無(wú)法用于衡量和優(yōu)化性能。本文首先推導(dǎo)了動(dòng)態(tài)磁電系數(shù)的表達(dá)式,其在頻率趨于零時(shí)退化到靜態(tài)解,然后借鑒斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子,分析共振頻率處磁電系數(shù)的奇異性,提出共振磁電強(qiáng)度因子作為衡量動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)。通過(guò)該指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)典型的并聯(lián)三明治鋪層和串聯(lián)鋪層方式由于設(shè)計(jì)變量受到限制,動(dòng)態(tài)磁電性能也沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)。動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)條件下,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各種頻率下共振也是一個(gè)重要目標(biāo),本文提出在屈曲狀態(tài)附近振動(dòng)以實(shí)現(xiàn)無(wú)限小共振頻率的設(shè)計(jì)思路并通過(guò)理論分析驗(yàn)證了其可行性。本文進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值模擬研究了影響磁電性能的一些復(fù)雜因素,首先建立了基于非線(xiàn)性力磁耦合本構(gòu)的力電磁耦合有限元模型。該有限元模型準(zhǔn)確再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的本構(gòu)曲線(xiàn),并用于定量地研究界面粘接、裂紋、界面彎曲等因素對(duì)磁電系數(shù)的影響。本文最后以校驗(yàn)材料可靠性為目標(biāo)發(fā)展了力-電-電疇翻轉(zhuǎn)-熱耦合有限元模型,用于驗(yàn)證鐵電陶瓷在交變電場(chǎng)作用下溫升與疇變區(qū)演化相互作用導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。有限元預(yù)測(cè)的溫度隨時(shí)間、電場(chǎng)幅值、頻率、電邊界等的變化與文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。該有限元方法結(jié)合商業(yè)軟件Abaqus進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),提供了一種擴(kuò)展商業(yè)軟件計(jì)算復(fù)雜力電磁耦合行為的思路。
【關(guān)鍵詞】：磁電復(fù)合材料 多場(chǎng)耦合 優(yōu)化設(shè)計(jì) 理論極限性能 有限元
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB33;O341
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-22
• 1.1 課題背景9-16
• 1.1.1 磁電轉(zhuǎn)換與磁電復(fù)合材料9
• 1.1.2 磁電復(fù)合材料的組成相9-12
• 1.1.3 磁電復(fù)合材料的組成方式12-13
• 1.1.4 磁電復(fù)合材料的應(yīng)用前景13-16
• 1.2 磁電復(fù)合材料的研究進(jìn)展16-19
• 1.2.1 新型磁電復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案16-18
• 1.2.2 磁電性能的理論預(yù)測(cè)18
• 1.2.3 有限元模擬18-19
• 1.3 磁電復(fù)合材料的可靠性19
• 1.4 目前研究中存在的問(wèn)題19-20
• 1.4.1 磁電復(fù)合材料的理論分析19-20
• 1.4.2 數(shù)值模擬方法20
• 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容20-22
• 第2章 磁電復(fù)合材料的極限性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化22-44
• 2.1 引言22
• 2.2 磁電系數(shù)理論極限分析22-32
• 2.2.1 理想磁電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)22-23
• 2.2.2 磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)推導(dǎo)23-25
• 2.2.3 電場(chǎng)磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)的優(yōu)化25-26
• 2.2.4 電荷、電壓、靜電能磁電系數(shù)及其優(yōu)化26-30
• 2.2.5 其他影響磁電系數(shù)的因素討論30-32
• 2.3 典型磁電復(fù)合材料鋪層方式性能評(píng)估32-38
• 2.3.1 優(yōu)化變量的限制性32-36
• 2.3.2 剪滯效應(yīng)的影響36
• 2.3.3 四種典型鋪層方式的比較36-38
• 2.4 新型磁電復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案38-39
• 2.4.1 能夠?qū)崿F(xiàn)磁電系數(shù)理論極限值的設(shè)計(jì)方案38-39
• 2.4.2 通過(guò)串并聯(lián)提高電壓和電荷磁電系數(shù)的設(shè)計(jì)方案39
• 2.5 典型磁電復(fù)合材料鋪層方式的理論解39-43
• 2.5.1 并聯(lián)三明治鋪層40-42
• 2.5.2 串聯(lián)鋪層42-43
• 2.6 本章小結(jié)43-44
• 第3章 磁電復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)性能分析與優(yōu)化44-75
• 3.1 引言44
• 3.2 共振頻率處磁電轉(zhuǎn)換能力的衡量指標(biāo)44-48
• 3.2.1 共振頻率處磁電系數(shù)的奇異性分析45-46
• 3.2.2 共振磁電強(qiáng)度因子的定義46-47
• 3.2.3 影響共振磁電強(qiáng)度因子的因素47-48
• 3.3 共振磁電強(qiáng)度因子的理論極限值48-55
• 3.3.1 假想杠桿機(jī)構(gòu)的共振磁電強(qiáng)度因子48-55
• 3.3.2 典型鋪層方式的評(píng)估55
• 3.4 幾種典型磁電復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)解55-64
• 3.4.1 考慮剪滯效應(yīng)的并聯(lián)三明治鋪層55-59
• 3.4.2 任意多層并聯(lián)鋪層磁電復(fù)合材料59-64
• 3.5 屈曲狀態(tài)附近的磁電轉(zhuǎn)換64-72
• 3.5.1 控制方程和邊界條件64-65
• 3.5.2 屈曲和后屈曲分析65-67
• 3.5.3 靜態(tài)磁電系數(shù)67-68
• 3.5.4 動(dòng)態(tài)磁電系數(shù)68-72
• 3.6 薄膜磁電復(fù)合材料在屈曲狀態(tài)附近的行為72-74
• 3.7 本章小結(jié)74-75
• 第4章 磁電復(fù)合材料非線(xiàn)性力電磁耦合有限元模擬75-94
• 4.1 引言75
• 4.2 控制方程和有限元格式75-80
• 4.3 基于磁疇旋轉(zhuǎn)的非線(xiàn)性力磁耦合80-81
• 4.3.1 由磁疇分布確定磁致伸縮應(yīng)變和磁化強(qiáng)度80-81
• 4.3.2 由磁場(chǎng)和應(yīng)力確定磁疇分布81
• 4.4 基于電疇翻轉(zhuǎn)的非線(xiàn)性力電耦合81-83
• 4.4.1 由電疇狀態(tài)確定材料性質(zhì)和本征量82
• 4.4.2 由電場(chǎng)和應(yīng)力決定電疇翻轉(zhuǎn)82-83
• 4.5 磁電復(fù)合材料中的力電磁場(chǎng)分布83-87
• 4.5.1 本構(gòu)曲線(xiàn)84
• 4.5.2 層狀磁電復(fù)合材料內(nèi)的力電磁場(chǎng)分布84-87
• 4.6 界面粘接對(duì)磁電性能的影響87-93
• 4.6.1 粘接層剪切模量和厚度的影響87-90
• 4.6.2 彎曲界面層狀磁電復(fù)合材料90-91
• 4.6.3 界面裂紋對(duì)磁電性能的影響91-93
• 4.7 本章小結(jié)93-94
• 第5章 鐵電陶瓷溫升效應(yīng)的力電熱耦合有限元模擬94-106
• 5.1 引言94
• 5.2 非線(xiàn)性力 -電 -電疇翻轉(zhuǎn) -熱耦合有限元模型的建立94-97
• 5.2.1 控制方程94-95
• 5.2.2 電場(chǎng)、應(yīng)力與電疇翻轉(zhuǎn)之間的耦合95-96
• 5.2.3 熱量、溫度與電疇翻轉(zhuǎn)之間的耦合96
• 5.2.4 結(jié)合Abaqus的實(shí)現(xiàn)方案96-97
• 5.3 溫升與疇變區(qū)模擬結(jié)果97-102
• 5.3.1 計(jì)算模型與參數(shù)97-98
• 5.3.2 溫度與疇變區(qū)的演化98
• 5.3.3 溫升與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較98-101
• 5.3.4 疇變區(qū)與大范圍疇變模型預(yù)測(cè)結(jié)果的比較101-102
• 5.3.5 疇變區(qū)與溫升區(qū)的比較102
• 5.4 缺陷的危險(xiǎn)程度評(píng)估102-103
• 5.5 本章小結(jié)103-106
• 第6章 總結(jié)與展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-119
• 致謝119-121
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果121

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