磁致伸縮本構模型及其在薄膜型GMA數(shù)值模擬中的應用.pdf

1、超磁致伸縮材料(GMM)是一種重要的新型功能材料,它具有輸出應變(或應力)大、機電轉換效率高、能量密度大、響應速度快等很多優(yōu)點,在現(xiàn)代高新技術領域(如MEMS)中有著十分廣泛的用途,超磁致伸縮執(zhí)行器(GMA)正逐漸對壓電式執(zhí)行器形成有力的競爭.為了進一步提高GMA的精確度和可靠性,對其中所存在的非線性力-磁耦合問題進行深入研究十分必要,因此本文對一類新興的GMA——薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器在外加磁場驅動下的靜、動力行為進行了比較系統(tǒng)的研

2、究.首先,為了更好地描述超磁致伸縮材料復雜的本構行為,本文提出了一個新的磁致伸縮非線性本構模型,其主要特點是能夠較好地反映磁致伸縮應變飽和值隨預應力(或殘余應力)的變化,與實驗結果的比較證實它能夠比已有模型更精確、更全面地刻劃超磁致伸縮材料在磁性、磁彈性(磁致伸縮和逆磁致伸縮)和彈性方面的非線性力-磁耦合行為(包括飽和現(xiàn)象、應力敏感性以及ΔE效應等);然后,在此基礎上建立了研究薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的理論框架——磁致伸縮層合薄板理論(

3、大撓度和小撓度),并根據(jù)薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的特點,在次要的磁場計算和磁力影響方面作了簡化,而重點考察影響其力學行為的主要因素——磁致伸縮本構關系(尤其是膜內(nèi)應力對磁致伸縮應變的影響)的作用,利用有限元方法(FEM)比較系統(tǒng)地研究了薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器在外加磁場驅動下的靜、動力行為.對懸臂式微執(zhí)行器,根據(jù)小撓度理論,推導了膜內(nèi)有初應力時自由端撓度Δ<,∥>、Δ<,⊥>和撓度差Δ=Δ<,∥>-Δ<,⊥>的公式,闡明了懸臂梁方法測得

4、的λ(H)以及λ<,∥>(H)和λ<,⊥>(H)的物理意義,通過數(shù)值算例揭示了考慮膜內(nèi)真實應力σ(不僅是初應力)與磁致伸縮應變λ=λ(H,σ)之間耦合的必要性,指出了懸臂梁方法可能嚴重高估超磁致伸縮薄膜飽和磁致伸縮系數(shù)λ<,s>的弊端;對雙懸臂式微執(zhí)行器,根據(jù)大撓度理論,數(shù)值地考察了大撓度效應對其彎曲變形和幾何參數(shù)優(yōu)化的影響,發(fā)現(xiàn)盡管其撓度較小,但大撓度效應的影響卻非常顯著,而且大撓度效應可能使撓度變大也可能使撓度變小(取決于磁場方向、

5、初應力大小等多種因素),最優(yōu)幾何參數(shù)也明顯受到大撓度效應的影響;對上述兩種微執(zhí)行器,數(shù)值地考察了其動力響應隨外加交變磁場頻率和幅值(以及偏磁場大小)的變化,討論了倍頻現(xiàn)象、超諧共振等非線性動力現(xiàn)象產(chǎn)生的具體原因和變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)大范圍改變的動應力與磁致伸縮應變的耦合可對其動力響應產(chǎn)生更顯著的影響,在不同振幅下大撓度效應的影響也可能不同.總之,通過本文的研究,初步顯示了力學方法在薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器研究方面的廣闊前景,為更加深入地研究此