采用弹性基底的磁电复合结构有限元分析

论文摘要

磁电复合材料可以实现磁能与电能之间的相互转换,能够应用于磁场检测、微波泄漏监测、电磁场能量转换等领域。与颗粒混合结构相比层合结构具有更高的磁电电压转换系数,本课题组提出将片状磁致伸缩材料和压电材料复合到弹性基底上,构成一种采用弹性基底的三相磁电复合结构,相比磁致伸缩材料和压电材料层合的两相磁电复合结构,在谐振时该结构具用更高的磁电电压转换系数。针对这种三相复合结构,本文采用有限元方法,分析采用等截面弹性基底和采用尖楔形弹性基底的两种磁电复合结构的磁电特性。主要研究工作如下:1.应用有限元方法对压电问题的分析能力以及磁致伸缩-压电类比关系,分析采用基底复合结构的磁电效应。通过输入几何模型、选定单元类型、设置材料参数、划分网格、施加载荷和边界条件等步骤,建立了两种磁电复合结构的有限元分析模型。2.对两种采用弹性基底的磁电复合结构进行有限元分析,研究复合结构参数改变对结构磁电特性的影响,并在磁电转换电压系数最大化的前提下对结构进行了优化设计。对于采用等截面基底的复合结构,分析了压电材料长度、基底长度、基底材料机械品质因数以及复合结构整体宽度几个因素,对复合结构发生一阶纵向谐振时的磁电性能的影响;对于采用尖楔形基底的复合结构,分析了压电材料的粘贴位置、压电材料的长度、宽度以及基底长/宽比几个因素,对复合结构发生纵向谐振时的磁电性能的影响。对比两种结构在谐振时产生的磁电转换电压,验证采用尖楔形基底的复合结构聚能效果。并分析了由于弯曲谐振模态的存在,两种复合结构磁电转换电压随激励信号频率变化的曲线都存在多磁电转换电压峰值点的特性。3.制备了采用等截面弹性基底和尖楔形弹性基底的磁电复合结构器件,构建磁电效应实验系统,在实验系统上对器件的磁电电压转换系数进行实测。有限元分析结果与实验结果对比表明,有限元分析可以较准确地预测结构的谐振频率和磁电转换电压的变化趋势,得到的优化结构具有更高的磁电电压转换系数,可以为类似结构的设计和优化提供依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 磁电复合材料概况
• 1.1.1 磁电效应
• 1.1.2 磁电复合材料
• 1.1.3 磁电复合材料的分析方法
• 1.1.4 磁电复合材料的应用
• 1.2 论文的主要研究内容
• 2 采用弹性基底的磁电复合结构
• 2.1 概述
• 2.2 磁致伸缩材料
• 2.2.1 磁致伸缩效应
• 2.2.2 Terfenol-D
• 2.3 压电材料
• 2.3.1 压电效应
• 2.3.2 压电陶瓷
• 2.4 采用弹性基底的磁电复合结构
• 2.4.1 采用等截面弹性基底的磁电复合结构
• 2.4.2 采用尖楔形弹性基底的磁电复合结构
• 2.5 本章小结
• 3 压电和磁致伸缩效应的有限元建模
• 3.1 概述
• 3.2 有限元方法
• 3.2.1 压电效应有限元分析方法
• 3.2.2 磁致伸缩效应有限元分析方法
• 3.3 磁电复合结构有限元建模
• 3.4 本章小结
• 4 采用弹性基底的磁电复合结构有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 采用等截面基底的结构分析
• 4.2.1 压电材料长度对结构磁电特性的影响
• 4.2.2 基底长度对结构磁电特性的影响
• 4.2.3 基底材料机械品质因数对结构磁电特性的影响
• 4.2.4 整体宽度对结构磁电特性的影响
• 4.2.5 小结
• 4.3 采用尖楔形基底的结构分析
• 4.3.1 压电片位置对结构磁电特性的影响
• 4.3.2 压电片长度对结构磁电特性的影响
• 4.3.3 压电片宽度对结构磁电特性的影响
• 4.3.4 基底长/宽比对结构磁电特性的影响
• 4.3.5 小结
• 4.4 两种结构磁电转换电压对比
• 4.5 采用弹性基底的磁电复合结构的多峰值特性
• 4.6 本章小结
• 5 采用弹性基底的磁电复合结构实验研究
• 5.1 概述
• 5.2 实验器件与实验系统
• 5.2.1 实验器件的制备
• 5.2.2 实验系统的构建
• 5.3 采用等截面基底的结构实验
• 5.4 采用尖楔形基底的结构实验
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 完成的主要工作
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录