温度对稀土超磁致伸缩换能器输出特性的影响研究

摘要

随着科技的进步，对智能材料的研究及其在各个领域的应用引起越来越多的重视。稀土超磁致伸缩材料是智能材料的一种，由于其具有磁致伸缩应变大、能量密度高、工作频带宽、响应快、可靠性好以及精度高等优异特性，成为制作换能器的理想材料，例如用于无损检测超声换能器、致动器、位移驱动器等。但是，由于超磁致伸缩材料对温度比较敏感，在实际应用中，温度对换能器的输出特性有较大的影响。因此，本文从环境温度和换能器内部产热两个方面，分析其对换能器动态输出特性的影响。主要研究内容和相关结论如下：
　　(1)超磁致伸缩换能器基本特性的分析。利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立换能器的模型，依次进行稳态分析、参数扫描分析、瞬态分析。计算结果表明：增大加载电流，换能器的轴向磁场分布均匀度降低，而输出位移先增大，之后达到饱和；增大线圈匝数，磁场均匀度和位移均呈增大趋势，且位移变化最后也趋近于饱和。
　　(2)环境温度对超磁致伸缩换能器输出特性的影响。利用曲线拟合软件1stOpt将不同温度下的磁致伸缩应变曲线，拟合成关于磁场和应变的函数关系，再导入有限元软件，分析环境温度对输出特性的影响。结果表明：在室温20℃条件下，随着加载时间减小，输出位移的首波振幅呈先增后减的趋势，而余振显著增强，换能器的分辨率降低；在相同的加载时间下，随着环境温度升高，换能器输出位移的振幅明显降低，余振和余振差值也呈降低趋势；经过傅立叶转换，可得出换能器的输出频率分布比较均匀，工作频率范围在7.5kHz之内，输出能量大小随温度升高而降低。然后，利用插值函数的方法导入杨氏模量在不同温度下的变化规律，结果表明：随环境温度升高，振幅下降趋势更加显著，余振相对较小且衰减极快，固有频率有所降低。
　　(3)换能器的磁滞损耗、涡流损耗及线圈产热所引起的内部温度场对其动态输出特性的影响。首先，利用热应力模块模拟磁滞损耗、涡流损耗和线圈产热引起的温度变化，发现前两者引起的温度升高较为明显。然后，利用软件中的PDE模块建立磁-机械-温度三场耦合模型，结果表明：若换能器内部温度场恒定，温度越高，其输出位移的振幅越低，且输出波形的平衡位置略有下降；当换能器在瞬态变化的温度场下工作时，随着温度逐渐升高，换能器振动的峰值降低。另外，增大所加载的初始预应力，换能器振动输出波形的峰值相对增大，但增幅减小，且引起的输出误差百分比有所下降。
　　通过本文的研究，得到了环境温度及换能器自身产热对输出特性的影响，相关结论对磁致伸缩换能器的开发及实际应用提供一定理论指导。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 超磁致伸缩材料概述

1.2 稀土超磁致伸缩换能器的分类及应用

1.3 稀土超磁致伸缩换能器的研究现状

1.4 本文的选题依据及主要研究内容

第2章 稀土超磁致伸缩换能器的有限元建模与特性分析

2.1 超磁致伸缩换能器的结构及电磁本构关系

2.2 数值模拟软件COMSOL Multiphysics简介

2.3 换能器的模型建立与基本特性分析

2.4 本章小结

第3章 不同环境温度下超磁致伸缩换能器的动态输出特性分析

3.1 室温下换能器的动态输出特性

3.2 环境温度对超磁致伸缩换能器动态输出特性的影响

3.3 考虑杨氏模量变化时超磁致伸缩换能器的动态输出特性

3.4 本章小结

第4章 超磁致伸缩换能器的磁-机械-温度多场耦合分析

4.1 超磁致伸缩换能器内部温度场的分析

4.2 换能器的三场耦合模型建立

4.3 瞬态温度场下换能器的动态输出特性

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

附录：攻读学位期间发表的论文