本文關鍵詞：力電磁耦合復合材料力學行為研究

  更多相關文章： 磁電復合材料 多場耦合 優(yōu)化設計 理論極限性能 有限元

【摘要】：磁電復合材料能夠實現(xiàn)高效的磁電轉換,作為磁場傳感器、能量收集裝置、電子器件等具有重要的潛在應用價值。本文從力學的角度出發(fā),以進一步優(yōu)化磁電復合材料性能為目標,提出新的設計思路、性能評價指標和分析模擬方法。受理想熱機和理想熱機效率研究的啟發(fā),構造了理想磁電轉換機構,識別出決定磁電轉換系數(shù)的兩個本質因素,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換機構為研究對象,得出了理想機構磁電系數(shù)的表達式。典型的磁電復合材料鋪層方式,如并聯(lián)三明治鋪層和串聯(lián)鋪層,是該機構的特例,理論推導也驗證了典型鋪層方式的磁電系數(shù)能夠由理想機構退化得到。理想情況下磁電復合材料具有應力放大倍數(shù)和材料體積比兩個設計變量,而典型的磁電復合材料鋪層方式只有一個設計變量,因此無法達到磁電性能的理論極限。通過優(yōu)化理想磁電轉換機構的設計變量發(fā)現(xiàn),最常使用的電場磁電系數(shù)的理論極限值是無窮大,而通過靜電能定義的磁電系數(shù)其理論極限是有限值。提出了動態(tài)磁電性能的評價指標,開展了動態(tài)性能分析優(yōu)化。由于理論求解得到的磁電系數(shù)在共振頻率處是無窮大,無法用于衡量和優(yōu)化性能。本文首先推導了動態(tài)磁電系數(shù)的表達式,其在頻率趨于零時退化到靜態(tài)解,然后借鑒斷裂力學的應力強度因子,分析共振頻率處磁電系數(shù)的奇異性,提出共振磁電強度因子作為衡量動態(tài)性能的指標。通過該指標優(yōu)化設計結構,發(fā)現(xiàn)典型的并聯(lián)三明治鋪層和串聯(lián)鋪層方式由于設計變量受到限制,動態(tài)磁電性能也沒有達到最優(yōu)。動態(tài)磁場條件下,實現(xiàn)結構在各種頻率下共振也是一個重要目標,本文提出在屈曲狀態(tài)附近振動以實現(xiàn)無限小共振頻率的設計思路并通過理論分析驗證了其可行性。本文進一步通過數(shù)值模擬研究了影響磁電性能的一些復雜因素,首先建立了基于非線性力磁耦合本構的力電磁耦合有限元模型。該有限元模型準確再現(xiàn)了實驗測得的本構曲線,并用于定量地研究界面粘接、裂紋、界面彎曲等因素對磁電系數(shù)的影響。本文最后以校驗材料可靠性為目標發(fā)展了力-電-電疇翻轉-熱耦合有限元模型,用于驗證鐵電陶瓷在交變電場作用下溫升與疇變區(qū)演化相互作用導致裂紋擴展的機理。有限元預測的溫度隨時間、電場幅值、頻率、電邊界等的變化與文獻中報道的實驗結果符合良好。該有限元方法結合商業(yè)軟件Abaqus進行二次開發(fā),提供了一種擴展商業(yè)軟件計算復雜力電磁耦合行為的思路。
【關鍵詞】：磁電復合材料 多場耦合 優(yōu)化設計 理論極限性能 有限元
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 磁電轉換與磁電復合材料9
• 1.1.2 磁電復合材料的組成相9-12
• 1.1.3 磁電復合材料的組成方式12-13
• 1.1.4 磁電復合材料的應用前景13-16
• 1.2 磁電復合材料的研究進展16-19
• 1.2.1 新型磁電復合材料設計方案16-18
• 1.2.2 磁電性能的理論預測18
• 1.2.3 有限元模擬18-19
• 1.3 磁電復合材料的可靠性19
• 1.4 目前研究中存在的問題19-20
• 1.4.1 磁電復合材料的理論分析19-20
• 1.4.2 數(shù)值模擬方法20
• 1.5 本文主要研究內容20-22
• 第2章 磁電復合材料的極限性能分析與結構優(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 理想磁電轉換機構22-23
• 2.2.2 磁電轉換系數(shù)推導23-25
• 2.2.3 電場磁電轉換系數(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 典型磁電復合材料鋪層方式性能評估32-38
• 2.3.1 優(yōu)化變量的限制性32-36
• 2.3.2 剪滯效應的影響36
• 2.3.3 四種典型鋪層方式的比較36-38
• 2.4 新型磁電復合材料設計方案38-39
• 2.4.1 能夠實現(xiàn)磁電系數(shù)理論極限值的設計方案38-39
• 2.4.2 通過串并聯(lián)提高電壓和電荷磁電系數(shù)的設計方案39
• 2.5 典型磁電復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43-44
• 第3章 磁電復合材料的動態(tài)性能分析與優(yōu)化44-75
• 3.1 引言44
• 3.2 共振頻率處磁電轉換能力的衡量指標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 共振磁電強度因子的定義46-47
• 3.2.3 影響共振磁電強度因子的因素47-48
• 3.3 共振磁電強度因子的理論極限值48-55
• 3.3.1 假想杠桿機構的共振磁電強度因子48-55
• 3.3.2 典型鋪層方式的評估55
• 3.4 幾種典型磁電復合材料的動態(tài)解55-64
• 3.4.1 考慮剪滯效應的并聯(lián)三明治鋪層55-59
• 3.4.2 任意多層并聯(lián)鋪層磁電復合材料59-64
• 3.5 屈曲狀態(tài)附近的磁電轉換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 動態(tài)磁電系數(shù)68-72
• 3.6 薄膜磁電復合材料在屈曲狀態(tài)附近的行為72-74
• 3.7 本章小結74-75
• 第4章 磁電復合材料非線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 基于磁疇旋轉的非線性力磁耦合80-81
• 4.3.1 由磁疇分布確定磁致伸縮應變和磁化強度80-81
• 4.3.2 由磁場和應力確定磁疇分布81
• 4.4 基于電疇翻轉的非線性力電耦合81-83
• 4.4.1 由電疇狀態(tài)確定材料性質和本征量82
• 4.4.2 由電場和應力決定電疇翻轉82-83
• 4.5 磁電復合材料中的力電磁場分布83-87
• 4.5.1 本構曲線84
• 4.5.2 層狀磁電復合材料內的力電磁場分布84-87
• 4.6 界面粘接對磁電性能的影響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合材料90-91
• 4.6.3 界面裂紋對磁電性能的影響91-93
• 4.7 本章小結93-94
• 第5章 鐵電陶瓷溫升效應的力電熱耦合有限元模擬94-106
• 5.1 引言94
• 5.2 非線性力 -電 -電疇翻轉 -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、應力與電疇翻轉之間的耦合95-96
• 5.2.3 熱量、溫度與電疇翻轉之間的耦合96
• 5.2.4 結合Abaqus的實現(xiàn)方案96-97
• 5.3 溫升與疇變區(qū)模擬結果97-102
• 5.3.1 計算模型與參數(shù)97-98
• 5.3.2 溫度與疇變區(qū)的演化98
• 5.3.3 溫升與實驗結果的比較98-101
• 5.3.4 疇變區(qū)與大范圍疇變模型預測結果的比較101-102
• 5.3.5 疇變區(qū)與溫升區(qū)的比較102
• 5.4 缺陷的危險程度評估102-103
• 5.5 本章小結103-106
• 第6章 總結與展望106-108
• 參考文獻108-119
• 致謝119-121
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果121

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6 本報記者 陸本，

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