变磁形状记忆合金热-力-磁强耦合行为的多尺度数值建模与仿真分析

Metamagnetic shape memory alloys are promising new smart material for applications in military and civilian areas due to their magnetic-field-induced phase transition and associated high-performance physical effects. However, the understanding of the tight thermo-mechanical-magneto coupling behavior in microscopic scale as well as its correlation with macro-behavior are still not adequate, limiting the application of this new smart material. This project focuses on modeling and simulation on the tight thermo-mechanical-magneto coupling behavior of NiCoMnIn metamagnetic shape memory alloy. A phase-field model based on Ginzburg-Landau theory and micromagnetics is proposed and a multi-scale model based on a phase-field-finite-element approach is developed for NiCoMnIn. On this basis, the thermo-mechanical-magneto coupling evolution of microstructure and the correlation between the micro- and macro-behavior of associated physical effects are revealed. The research findings will help the design and optimization of the metamagnetic shape memory alloy, accelerate the material’s application in actuator, sensing, energy, environment, military and civilian areas, promote the development of multi-scale and multi-field coupling mechanics.

新型智能材料变磁形状记忆合金，因其磁致相变及由此产生的多种高性能物理效应，在促进产业和国防技术高度智能化上极具优势，具有广阔的应用前景。然而，变磁形状记忆合金的热-力-磁强耦合微观结构演化，以及微宏观行为关联的研究不足，极大限制了此种高性能智能材料的应用。本项目针对变磁形状记忆合金NiCoMnIn，利用Ginzburg-Landau理论、微磁学等构建热-力-磁强耦合微观行为的相场模型，基于相场演化方程构建考虑微观机制的本构模型，并编写子程序引入有限元软件Abaqus，发展微宏观多尺度计算方法。在此基础上，探明变磁形状记忆合金马氏体相变、磁结构、热生成热传导之间耦合的微观结构演化规律，揭示合金多种高性能物理效应的微宏观行为关联。本课题的研究有助于加快变磁形状记忆合金的结构设计、优化与应用，促进驱动与传感、能源环境以及产业和国防领域的智能化发展，也将是对多尺度力学与多场耦合力学发展的有力推动。

变磁形状记忆合金是一种极具应用潜力的智能材料，有望在产业和国防技术高度智能化上发挥重要作用。然而由于同时涉及多场耦合和多尺度，这两大力学难题，针对变磁形状记忆合金建立可靠的理论计算模型，存在着巨大的挑战，限制了材料的应用发展。本项目针对变磁形状记忆合金，利用Ginzburg-Landau理论、微磁学等，首先建立了变磁形状记忆合金基本力-磁耦合行为的相场模型，描述了力-磁微观结构的演化，并结合平均化方法，实现预测力-磁耦合的微宏观多尺度行为。然后，通过结合热力学理论，考虑变形过程中的热生成和热传导，建立起变磁形状记忆合金热-力耦合行为的相场模型，并模拟了外力作用下温度变化的微观结构演化，进一步揭示了热-力耦合行为背后的微观机制。最后，基于相场模型计算的结果，以及对磁性形状记忆合金的力-磁耦合行为的深入认识，对降磁场、马氏体孪晶阻力以及演化方程等以往只能用数值方法计算的因素，进行了创新的理论简化，成功发展出磁性形状记忆合金力-磁耦合的理论显式计算模型，并基于此理论模型获得力-磁耦合行为宏观响应的解析解。计算结果表明所提出的力-磁耦合的理论显式计算模型，在可靠性上与已有的热力学数值模型相当，与实验观测也较为吻合，即此模型在保证其计算结果可靠性的基础上，大大提高了计算效率，极大推进了智能材料计算方法的发展。此外基于所提出的理论显式计算模型，还获得应用设计的重要参数规律，此项研究成果有望更有效的指导驱动器、感应器的应用设计，促进材料的结构设计、优化以及应用的发展。