磁致伸縮本構(gòu)模型及其在薄膜型GMA數(shù)值模擬中的應(yīng)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(yīng)變(或應(yīng)力)大、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、能量密度大、響應(yīng)速度快等很多優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)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(duì)壓電式執(zhí)行器形成有力的競(jìng)爭(zhēng).為了進(jìn)一步提高GMA的精確度和可靠性,對(duì)其中所存在的非線性力-磁耦合問(wèn)題進(jìn)行深入研究十分必要,因此本文對(duì)一類新興的GMA——薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器在外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的靜、動(dòng)力行為進(jìn)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(fù)雜的本構(gòu)行為,本文提出了一個(gè)新的磁致伸縮非線性本構(gòu)模型,其主要特點(diǎn)是能夠較好地反映磁致伸縮應(yīng)變飽和值隨預(yù)應(yīng)力(或殘余應(yīng)力)的變化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較證實(shí)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(yīng)力敏感性以及ΔE效應(yīng)等);然后,在此基礎(chǔ)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(diǎn),在次要的磁場(chǎng)計(jì)算和磁力影響方面作了簡(jiǎn)化,而重點(diǎn)考察影響其力學(xué)行為的主要因素——磁致伸縮本構(gòu)關(guān)系(尤其是膜內(nèi)應(yīng)力對(duì)磁致伸縮應(yīng)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的靜、動(dòng)力行為.對(duì)懸臂式微執(zhí)行器,根據(jù)小撓度理論,推導(dǎo)了膜內(nèi)有初應(yīng)力時(shí)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(cè)得

4、的λ(H)以及λ<,∥>(H)和λ<,⊥>(H)的物理意義,通過(guò)數(shù)值算例揭示了考慮膜內(nèi)真實(shí)應(yīng)力σ(不僅是初應(yīng)力)與磁致伸縮應(yīng)變?chǔ)?λ(H,σ)之間耦合的必要性,指出了懸臂梁方法可能嚴(yán)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(duì)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(yīng)對(duì)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(yīng)的影響卻非常顯著,而且大撓度效應(yīng)可能使撓度變大也可能使撓度變小(取決于磁場(chǎng)方向、

5、初應(yīng)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(yīng)的影響;對(duì)上述兩種微執(zhí)行器,數(shù)值地考察了其動(dòng)力響應(yīng)隨外加交變磁場(chǎng)頻率和幅值(以及偏磁場(chǎng)大小)的變化,討論了倍頻現(xiàn)象、超諧共振等非線性動(dòng)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(dòng)應(yīng)力與磁致伸縮應(yīng)變的耦合可對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生更顯著的影響,在不同振幅下大撓度效應(yīng)的影響也可能不同.總之,通過(guò)本文的研究,初步顯示了力學(xué)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