超磁致伸缩执行器的三维非线性动态有限元模型

超磁致伸缩执行器工作时超磁致伸缩材料的磁导率会随着应力变化而变化,并存在磁滞损失和涡流损失等非线性问题,同时磁场、电场、温度场及机械应力场之间存在耦合.建立了超磁致伸缩执行器电场、磁场和机械应力场3场耦合的三维非线性动态有限元模型,考虑了超磁致伸缩执行器Terfenol D棒质量、预压应力、偏置磁场、磁滞和涡流损失.使用Jile-Autherton磁化模型计算磁滞损失,在商业有限元软件FEMLAB中实现了有限元模型.模型仿真结果和实验结果相一致,验证了所建立模型的正确性.     

巨磁致伸缩材料Terfenol-D的磁致伸缩计算

考虑在压应力作用下磁畴的择优分布,应用磁畴转动模型,建立了在压应力作用下材料的磁致伸缩与磁场强度的关系,当H≤80KA/m、在较大压应力作用下时,计算结果与实验值基本符合,表明该表达式反映了在压应力作用下磁化机制,可以应用该式来描述材料在较低磁场强度下的磁致伸缩。     

基于磁致伸缩效应的纵向导波产生与传播过程研究

针对铁磁性材料中磁致伸缩导波的产生机理,利用有限元软件创建了非线性力磁耦合磁致伸缩有限元模型,分析了非线性铁磁性在外加磁场作用下磁致伸缩力的产生,以及在该力作用下材料中质点的位移情况,实现了基于铁磁性材料非线性力磁耦合本构关系的磁致伸缩导波的产生及传播过程仿真研究.仿真结果表明,当铁磁性管道在由永磁体产生的偏置磁场及通过高频交流电流线圈所产生磁场的共同作用下,管道内质点将受到平行于磁场方向的磁致伸缩力的作用并产生高频振动形成磁致伸缩导波,通过对各质点位移情况分析可以清楚了解到导波的传播及接收过程,并通过实验验证了该仿真研究的可靠性.     

复杂磁化下硅钢片矢量磁致伸缩特性测量与模拟

针对电机、变压器等电工设备铁心在复杂磁场磁化下磁致伸缩特性引起的振动噪声加剧问题,提出了能够表征非正弦磁场激励时磁致伸缩特性的硅钢片动态矢量磁致伸缩模型.基于硅钢片单片磁特性测量系统,采用三轴应变计法测量并分析了复杂磁化条件下硅钢片的动态矢量磁致伸缩特性,推导了硅钢片磁致伸缩特性的动态矢量模型表达式,并给出了模型参数数据库的建立方法.通过与实际测试数据的对比分析验证了模型的预测精度.     

含缺陷高温超导带材的磁化和力学特性分析

为了分析缺陷对带材磁化及力学性能的影响,基于Bean临界态模型和最小磁能泛函方法,研究了含不同类型缺陷高温超导带材的电磁特性,数值模拟了磁化过程中高温超导带材的应力分布和磁致伸缩行为.研究结果表明:当缺陷偏离带材几何中心时,磁化强度出现水平分量;电磁体力使超导带材发生磁致伸缩;最大应力出现在缺陷附近,当缺陷在带材表面时,最大拉应力出现在外磁场下降阶段;当缺陷位于带材内部时,最大拉应力出现在外磁场最大时刻.根据分析结果可知,垂直磁场中的高温超导带材,其磁化及力学性能受缺陷尺寸和位置影响较大.     

巨磁致伸缩材料的磁致伸缩模型与计算

应用在应力作用下的磁致伸缩系数与磁化强度的关系，建立了磁致伸缩的计算模型，结合器件的实际结构，采用有限元方法，计算了磁致伸缩棒在应力作用下的磁致伸缩，计算结果与实验值符合，分析表明，采用该模型得到的计算结果能够较准确地反映材料在工作状态下的磁致伸缩。     

超磁致伸缩换能器有限元动态模型的研究

超磁致伸缩材料是在磁场的作用下能产生巨大伸缩变形的一种新型功能材料,它的应用越来越受到研究人员的关注．将超磁致伸缩材料Terfenol-D应用于换能器中,将极大地提高换能器的性能指标．介绍了超磁致伸缩材料研制的换能器的结构,利用有限元方法建立了磁机械耦合动态模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,计算与仿真表明所建立的有限元动态模型在忽略涡流影响的条件下能够反映换能器的输入输出关系,此项研究对于超磁致伸缩换能器的控制及实验研究具有重要的指导意义。     

高性能粘结超磁致伸缩复合材料的制备与性能表征

采用自行设计的简易压缩成型装置,以粉末粘结工艺,制备了环氧树脂粘结超磁致伸缩材料。对设计制造的成型模具及粘结超磁致伸缩材料的制备工艺及性能进行了研究。采用扫描电子显微镜（SEM）、排水测密度法、Agilent 4294A动态阻抗分析仪、电子万能试验机以及电阻应变片技术,表征了采用该装置和工艺制备的粘结超磁致伸缩材料的显微组织结构、密度、高频响应、力学性能、磁致伸缩及压应力特性。结果表明,采用该装置和工艺制备的粘结超磁致伸缩材料,组织均匀致密,气孔率低,性能重复性好,在420MPa的高压成型过程中无漏料现象发生,特别是材料的致伸缩伸缩性能高,无预压应力情况下其饱和磁致伸缩系数达820×10-6,在1MP压应力下其饱和磁致伸缩系数高达1006×10-6,同时该材料具有较高的截止使用频率。该制备方法具有成本低、成型设备及工艺简单、容易操作及产品性能高等优点,适合于工业生产。对复合材料性能改进的机理进行了阐述。     

超磁致伸缩致动器的数学模型和控制技术

采用超磁致伸缩材料Terfenol-D可以研制出推进力大、量程大、纳米级分辨率的超磁致伸缩致动器,在超精密加工、精密定位、机器人以及微型机电系统等领域有着广阔的应用前景.本文对超磁致伸缩材料的磁化机理、超磁致伸缩致动器的非线性模型、控制技术及精密位移控制系统作了较为详细的评述,并指出了超磁致伸缩致动器的模型与控制技术的发展趋势.     

磁致伸缩材料Terfenol-D非线性耦合有限元分析

为了研究巨磁致伸缩材料Terfenol-D的非线性耦合磁力特性及响应,提出一种增量显式有限元列式及其在通用有限元软件中的实现方法.该显式增量方法基于实验测得材料性质或非线性本构计算所得材料参数,通过分段插值函数描述磁致伸缩材料的材料参数随磁场和预应力的非线性变化关系,采用耦合方程的弱形式给出相应有限元列式及增量算法,并在通用有限元软件ABAQUS中执行数值算例.该方法通过显式插值避免大多数数值方法求解非线性方程组的迭代过程,只需要先进行稳定性验证来标定合适的增量步长即可保证结果的可靠性.数值分析结果表明,该方法具有较好的精度和稳定性,能够准确有效地模拟不同预应力水平和偏磁场强度下的磁致伸缩非线性耦合响应,同时能够反映预应力对最大磁致伸缩的影响,即“反转效应”.该方法对磁致伸缩器件的设计应用及力磁耦合非线性分析具有一定的理论和实际意义.     

铁磁材料应力-磁化性能的相关性

针对受外力作用的铁磁材料,应用微磁学理论,从最小能量原理出发,采用拉格朗日乘子法推导了应力作用下的应力-磁化矢量的描述方程,得出应力-磁化率关系表达式。以条形单晶铁为例,编写三维有限元程序,计算得出应力平行和垂直于外磁场情况下单晶铁磁体内部的磁化矢量分布及应力-磁化率关系曲线,计算结果表明在应力作用下磁化矢量发生偏转,受拉时磁化矢量向外磁场方向偏转,磁化增强,磁化率随应力增加而增大;受压时磁化矢量向背离外磁场方向偏转,磁化减弱,磁化率随应力增大而减小;且各向异性磁化率与应力施加方向相关。     

外磁场激励下管道弱磁应力内检测特性研究

弱磁应力检测技术支持非接触在线应力损伤检测,在长输油气管道应力内检测技术领域具有巨大的应用潜力。但弱磁信号微弱,易受外界环境干扰,检测结果易出现偏差。为加强弱磁信号的检测能力,基于铁磁材料的微观特性,建立了外磁场弱磁应力检测模型,获得了弱磁信号强度随外磁场强度与施加应力的变化规律,描述了外磁场对弱磁应力检测信号的激励特性,并进行了系统的实验研究。结果表明,弱磁信号的切向峰值与法向零点均位于应力集中区的中心位置,且不随应力与外磁场的变化而发生波动;弱磁信号切向峰值与法向峰峰值随外磁场与应力的增加而增大;外磁场对弱磁应力检测信号的激励作用随外磁场的增加先增大后减小。     

液晶5CB磁化特性的数值分析

以液晶5CB材料为研究对象,观察不同相（晶体相,向列相,各相同性相）下液晶5CB的磁化强度随外磁场变化情况,并进行数据处理分析,实验结果表明,外磁场强度在-5 000 A/m~5 000 A/m范围内变化时,液晶5CB表现出顺磁性,当外磁场强度值继续增加时,液晶5CB显示出抗磁性,对实验数据进行数值分析得出,在不同的外磁场强度范围内,不同相下液晶5CB磁化强度变化规律基本满足线性方程,当外磁场强度由临界值逐渐减小时,处于液晶相和各相同性相的液晶5CB出现不同程度的磁滞现象,考虑到液晶盒的锚定作用,得到液晶5CB在不同相下磁化规律的拟合直线方程,各有其特点,因此可以通过分析不同直线斜率和截距,从而判断出液晶5CB所处的不同状态. 也可以根据液晶5CB的不同直线方程得出外磁场强度的变化范围.     

静态磁场谐振磁传感器设计

为了解决磁致伸缩/压电复合磁传感器测量静态磁场时需要交变激励磁场以及磁电电压输出低等问题,提出了一种改进结构的磁致伸缩/压电/音叉复合谐振磁传感器,采用COMSOL有限元仿真软件对传感器的应力与应变分布以及音叉的振动模态进行仿真.结果表明,传感器的谐振频率随着磁场强度的增加近似线性递增;在0～1 000 Oe磁场范围内,灵敏度达1. 750 5 Hz/Oe,是改进前的7倍,验证了传感器改进结构的有效性.     

磁性材料在激光优化时自旋—自旋耦合的影响

本文针对磁性材料在激光优化时，其自旋──自旋耦合进行了研究，应用外斯分子场理论推导出磁化强度与自旋耦合的交换积分的反比关系。进而从理论上进一步证实磁性材料自旋取向有趋平行的变化趋势。     

磁晶各向异性对反铁磁耦合纳米体系磁特性的影响

采用微磁学方法研究了磁性层的磁晶各向异性对反铁磁耦合三层纳米体系磁特性的影响.结果表明：随着磁性层磁晶各向异性的增大,反铁磁耦合三层纳米体系具有4种不同类型的磁滞回线,上、下磁性层的反转场逐渐减小,而饱和场先减小后增大.当磁晶各向异性较小时,反磁化过程为反磁化核的形成与传播过程;当磁晶各向异性很大时,反磁化过程为先形成多畴微磁结构,再逐渐反转的过程.     

高频驱动超磁致伸缩致动器的磁场设计与分析

针对超磁致伸缩致动器集中于静态与准静态领域的不足,开发设计出一款用于高频驱动的超磁致伸缩致动器。建立完善用于高精度励磁场的轴线磁场强度、三维空间磁场强度的ANSYS模型,完成励磁场均匀度分析,为高频磁场的设计提供理论基础。     

采用磁流体的伺服阀力矩马达二维有限元分析

为了改善液压伺服阀的性能，在伺服阀力矩马达的工作气隙中添加磁流体（MF）．基于磁流体具有较大的磁导率以及在外加磁场作用下具有较大磁化强度的特点，提出利用磁流体来改善伺服阀力矩马达的磁路效率以及提高伺服阀动态性能，分别采用二维磁场有限元分析方法及经验公式，研究了添加和不添加磁流体时力矩马达工作气隙中磁场强度特性及力矩马达输出力矩特性，仿真分析结果表明添加磁流体后力矩马达的磁场强度及衔铁输出力矩值有明显改进．