超磁致伸缩材料的时变本构关系及其智能控制应用的基础研究

超磁致伸缩材料以其具有变形大和承载高等优点作为一类新型智能材料于近十年在振动控制与智能结构设计中受到高度重视，在民用测量仪器和国防上均有重要的应用背景。由于这类材料自身的磁-热-力多场耦合及其非线性本构关系的特征以及其随外加时变磁场的频率与幅值相关性所导致的复杂性，使这类系统的设计应用受到严重制约。本项目在已有这类本构关系（由申请人所在小组完成）的研究成果基础上，着重研究这类材料在多场耦合下与频率相关联的本构关系模型及其表征方法（包括基本理论与实验测试研究），从而为这类材料的本构关系提供最完善的建立途径。在此基础上，通过开展超磁致伸缩智能材料在振动控制应用中的非线性控制理论及其有效性等基础分析方法以及动力控制特性的仿真研究，以达到为这类智能材料的智能控制应用提供基本的力学分析途径。

本项目主要针对超磁致伸缩智能材料的磁-力-热相互作用的迟滞非线性本构关系的频率相关性开展了理论建模与实验研究，建立的理论模型解决了不同加磁频率与幅值下的国外实验测量结果的预测问题，并对国内生产的这类智能材料开展了本构关系与动态特性的实验研究，从而为这一类具有大变形与承载能力的智能材料在动态控制系统中的应用奠定了基础。与此同时，本项目还针对强非线性问题与时滞控制系统采用小波这一最新的数学工具开展了理论分析研究，结果表明小波方法在处理这类复杂力学与控制系统也是成功的。本项目的这些相关研究成果已在学术期刊上发表学术论文16篇，其中SCI收录论文13篇（含已接受发表的1篇），获国家授权实用新型发明专利4项，另外申请的5项发明专利正在公示期中，培养的研究生中已获博士学位5人，在读博士生1人(将于2013年毕业)、硕士生1人(将于2013年毕业)。本项目获得的主要进展如下：.1、针对超磁致伸缩材料的力-磁-热多场耦合非线性迟滞本构关系的频率相关性，建立了有效的定量分析模型。所得结果在定量上有效地预测出了其磁致应变廻线随不同频率变化的实验结果，从而为这类智能材料的应用研究奠定了基础；.2、针对国产超磁致伸缩材料，开展了力-磁-热相互作用的实验测量方法研究，获得了相关静态与动态特性；.3、利用小波分析方法建立了求解非线性初边问题的封闭解法，这一方法与非线性程度无关，既适用于强非线性也适于弱非线性问题，在相关非线性力学问题的分析中所得到的定量结果具有精度高、计算量少和通用性强的优点。然而，在传统的非线性初边值问题的求解中，多数方法由于解的不封闭性使其仅在弱非线性情形有效，而在强非线性情形则需要针对具体例子采用特殊技术处理才可望得到可用但不一定可靠的结果。.4、针对迟滞本构关系的实验结果开展了模型参数辨识的理论研究以及在所建立的新的本构模型下开展了力学特性及相关应用的仿真研究，获得了一些新的特征结果。.本项目研究在模型建立、实验测量和非线性分析方法的研究方面进展突出，这为具有大变形与承载能力的这类超磁致伸缩智能材料在今后的理论与应用研究提供了坚实的基础。