计及损耗的超磁致伸缩材料参数提取及有限元仿真应用

摘要

有限元法(FEM)是换能器设计的重要手段。超磁致伸缩换能器的核心振子——超磁致伸缩材料在应用中存在电磁损耗、机械损耗和磁机耦合损耗等。而现有的有限元仿真软件中的磁致伸缩模块无法对超磁致伸缩换能器进行多场耦合下的损耗的准确计算,且难以获取不同工况下的材料参数,给换能器的设计造成了较大的误差。因此相比压电模块,有限元仿真中的磁致伸缩模块仍未得到广泛应用。该文通过对压电和磁致伸缩的机电耦合的有限元控制方程的数值比拟,利用压电模块实现了对超磁致伸缩换能器的有限元仿真,并利用材料复参数对损耗进行表征,实现了超磁致伸缩换能器计及损耗的有限元仿真。为得到超磁致伸缩材料的特性参数,利用平面波法(PWM)对磁-机耦合特性参数测试平台进行阻抗建模分析,通过粒子群算法提取不同预应力下考虑损耗的特性材料参数,并将所得参数代入有限元仿真软件COMSOLMultiphysics中进行谐响应分析,所得结果与PWM模型结果及实验阻抗曲线吻合良好,证明了所提方法的可行性和准确性。