高频激励条件下磁致伸缩换能器多场耦合效应分析与模型构建

Magnetostrictive material is regarded as the strategical functional material which can improve the high-technology competitive ability of countries. High power magnetostrictive transducer can be widely used in the field of underwater acoustics or ultrosonics. This proposal focuses on the electromagnetic-mechanical-thermal multi-field coupling effects and the dynamic hysteresis nonlinearity in the magnetostrictive transducer under high frequency excitation. The measurement method of hysteresis, losses and temperature rise characteristics of magnetostrictive materials will be groped for under high frequency excitation and variable temperature conditions. The mechanism of electromagnetic-mechanical-thermal bidirectional multi-field coupling in magnetostrictive materials and transducers will be revealed. This project plans to research from two levels, material level and system level. Describe the strong nonlinear and bidirectional coupling effects and construct the mathematical model of magnetostrictive transducer under multi variable conditions (excitation frequency and amplitude, stress, temperature). A testing system of magnetostrictive transducer will be built to verify the accuracy and feasibility of the model. The model will be used to Terfenol-D and Galfenol transducers in order to obtain a general model framework which can describe the output characteristics of different magnetostrictive devices. This research will contribute to a widely application of high frequency magnetostrictive devices.

磁致伸缩材料被视为可提高国家高科技竞争力的功能材料，大功率磁致伸缩换能器可广泛应用于水声或超声等高频领域。高频激励条件下磁致伸缩换能器中的电磁-机械-热多场耦合效应问题和动态磁滞非线性问题尤为突显。本课题针对上述问题进行机理分析和模型构建，研究高频激励和变温条件下磁致伸缩材料的磁滞特性和损耗温升特性的测量方法；分析磁致伸缩材料和换能器中电磁-机械-热多场双向耦合作用机理；拟从磁致伸缩材料和换能器系统两个层面来描述多变量条件下(激磁频率和幅值、应力，温度)磁致伸缩换能器的强非线性和双向多场耦合效应并构建数学模型，搭建可提供高频激励和变温条件的磁致伸缩换能器实验测试系统以验证模型的准确性和实用性；将模型用于目前两种典型的磁致伸缩材料（Terfenol-D和Galfenol）换能器，以期提炼出可用于分析不同磁致伸缩器件多场耦合作用下输出特性的一般化模型框架，为高频磁致伸缩器件的广泛应用奠定基础。

本项目搭建了磁致伸缩材料高频激励条件下的变温和变应力磁滞回线测试系统，测试了Terfenol-D和Galfenol两种典型磁致伸缩材料在不同磁密幅值和频率（1-30 kHz）下的磁滞回线，发现了磁致伸缩材料的高频磁特性随磁密幅值和频率、温度以及应力的变化规律，测试分析了不同磁化方向、不同叠片厚度的磁致伸缩材料在宽频率范围内的磁滞回线和磁能损耗的变化趋势；基于实验数据和磁致伸缩材料中各项磁能损耗产生的机理，提出了考虑磁致伸缩材料叠片厚度、温度及应力变化的变系数高频磁能损耗计算模型，不同工况下磁能损耗的实验结果和计算结果对比验证了模型的准确性；基于热力学理论和能量守恒原理，选用磁场强度H、应力σ、温度T为独立变量，考虑材料内磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗和损耗系数在不同加载形式下的变化，引入热相关磁滞参数分析磁化的温度相关性，建立磁致伸缩材料的反映磁滞非线性特性的磁化强度模型；通过分析材料内部的自由能密度函数，推导了能分别反映电磁-机械耦合和电磁-机械-热耦合贡献项的有效磁场He的数学方程，通过有效磁场将材料的磁致伸缩模型和磁化强度模型耦合起来建立了磁致伸缩材料的多场耦合非线性动态本构模型，将其与换能器系统的结构动力学模型结合建立了考虑高频动态损耗的换能器系统层次的多场耦合模型；基于有限元法，通过建立电磁场、机械场和热场的控制方程得到了换能器系统层次的多场耦合输出特性模型，描述了材料层面和系统层面的磁-机械-热耦合关系；研究了高频磁致伸缩换能器的设计方法，经过磁路结构设计和机械结构设计及谐振模态分析使磁致伸缩换能器的结构设计系统化；制作了谐振频率分别为6kHz和20kHz的两台磁致伸缩换能器样机，并通过对换能器温度场的数值计算，设计了换能器的温度控制系统；搭建了高频磁致伸缩换能器输出位移、加速度和输出力特性实验测试系统，实验数据验证了换能器系统多场耦合模型的准确性也为所建立的模型进行参数修正提供了数据支持。