基于Eshelby等效夹杂理论的Terfenol-D复合材料磁致应变模型

基于Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法建立了Terfenol-D复合材料中合金颗粒平均应力、扰动应变和复合材料整体平均应变的计算模型,并利用此模型对Terfenol-D复合材料在不同制备工艺条件下的饱和磁致伸缩应变进行了计算.结果表明:Terfenol-D复合材料的饱和磁致伸缩应变随粘结剂含量的增加而呈线性下降,但粘结剂含量不能过少,合适的粘结剂含量应在2.5%～4.0%之间;随复合材料外加预压应力的增大,其饱和磁致伸缩应变增大;实验结果与模拟结果的数据曲线趋势一致.

800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

本文研制了８００Ｈｚ Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ鱼唇式弯张换能器，换能器设计中采用永磁偏磁场和能有效抑制涡流损耗的闭合磁路结构，最高声源级１８５ｄＢ，－３ｄＢ带宽１８０Ｈｚ。这种鱼唇式弯张换能器克服了连续直流提供偏磁场时发热强的缺点，并且仅需要普通的功率放大器，更适于长时间连续工作，使这一新型低频大功率水声换能器趋于实用化。

Terfenol-D超磁致伸缩换能器的有限元模拟

本文研究了利用ANSYS软件分析磁致伸缩换能器，使这一有限元分析软件能够用于TerfenolD换能器的分析设计。设计了14kHzTerfenol－D纵向技能器，计算结果与实验结果符合很好。

Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状复合磁电传感器磁电效应

采用树脂粘结法制作了L-T型(磁致伸缩层的磁化方向与压电层的极化方向相互垂直)Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层状复合磁电传感器。采用等效电路法对磁电系数进行了详细推导,得到磁电系数方程。磁电系数方程显示磁电系数决定于Terfenol-D与PZT的性能参数和磁电传感器中两种材料的体积比。为此从理论和实验上分析了偏置磁场、传感器中两种材料所占的体积比以及驱动磁场频率对磁电系数的影响规律。结果表明偏置磁场、传感器中两种材料所占的体积比和驱动磁场频率对磁电传感器磁电系数的影响都很明显,并且磁电系数的计算结果与实验结果一致,对于所制作的复合磁电传感器,相同条件下磁电系数的计算值与实验值的相对差值小于6%。

基于ATILA的Terfenol-D棒输出特性分析

稀土磁致伸缩换能器是一种能够实现电能转换为声能的能量转换器件。Terfenol-D棒是磁致伸缩换能器的动力驱动元件,它受磁场激励后产生连续的轴向振动,从而推动着辐射板向谐振腔体内辐射声场。应用ATILA有限元软件对主动材料Terfenol-D棒进行模态及谐响应分析。重点考察分析Terfenol-D棒长径比、激励电流和预应力对Terfenol-D棒输出特性(磁棒活塞振型频率及轴向振动幅值)的影响。研究结果表明:磁致伸缩换能器可按工况需求,选择不同长径比的Terfenol-D棒以达到理想的轴向输出位移;Terfenol-D棒的轴向输出位移随外加激励电流的增加而逐渐增加;当激励电流一定时,合适大小的预应力可有效增加Terfenol-D棒轴向输出位移,而预应力过大则会影响Terfenol-D棒轴向输出位移。

高介电常数PVDF/PZT/Terfenol-D复合材料的介电性能研究

以聚偏氟乙烯(PVDF)为聚合物基体,PZT为陶瓷相,稀土铁合金粒子Terfenol-D为添加组分,运用聚合物熔融压片法制备了聚合物体积含量为30%的0.3PVDF/(0.7-f)PZT/fTerfenol-D三相复合材料。研究了Terfenol-D的体积含量、频率对复合材料介电性能的影响。结果显示:Terfenol-D粒子的加入,可以提高0.3PVDF/0.7PZT复合材料的介电常数,PVDF/PZT/Terfenol-D复合材料具有介电常数高、介电损耗小的特点。

Terfenol-D棒磁致伸缩特性及可加工性能研究

Terfenol-D中磁致伸缩应变与磁场强度关系的非线性,影响了磁致伸缩控制元件的精度和稳定性。拟采用轴向开槽的方式降低Terfenol-D棒由于涡流损耗产生的热致变形。但是由于材料本身的物理特性,Terfenol-D棒体加工难度很大。为对Terfenol-D材料的加工性能进行研究,选用了线切割和精密磨削两种方式对Terfenol-D棒进行开槽处理,结果表明线切割后加工表面虽然有一定的剥落凹坑产生,但对棒体的磁致伸缩特性影响较小。Terfenol-D棒开槽前后伸缩量测试结果表明在棒体表面开4轴向槽可以降低材料的涡流损耗,提高输出位移-磁场强度关系的线性度。

偏置优化对Terfenol-D致动器性能的影响

从分析Terfenol-D材料的磁致伸缩机理出发,引申出预应力和偏置磁场是影响超磁致伸缩致动器性能的重要因素。零偏置磁场驱动下不同预应力对致动器位移输出影响的实验和零预应力下两种偏置磁场对致动器输出性能的比较实验,验证了合理选择预应力和偏置磁场可有效地改善致动器性能的论点。预应力和磁偏置的实验矩阵确定了不同预应力对应的优化偏置磁场,实际设计中需根据致动器要求确定优化的偏置条件。

Terfenol-D球形低频换能器

本文设计并制作了一种Terfenol—D球形换能器,使用有限元分析软件ANSYS对换能器的电声参数进行模拟计算,计算结果与实验结果符合很好。换能器水中谐振频率f=6.3kHz,Q-3dB=2.63,证明具有低频、宽带的特点。

Terfenol-D磁致伸缩微小驱动器磁路设计

提高磁致伸缩驱动器驱动效率的关键环节是建立优化的驱动器磁路。本文基于准静态条件下线性磁致伸缩理论,得出磁致应变S与磁致伸缩材料内部磁场强度B的关系;并根据对无永磁磁偏磁路的分析进一步得出磁致应变S与磁路磁阻R和漏磁磁阻R1的对应关系。应用有限元方法对3种典型磁路结构的磁化效果进行对比分析,验证磁路结构的变化——即磁阻R和漏磁磁阻R1的相应改变对磁致伸缩材料磁化程度的不同影响,进而得出微小驱动器磁路壳体适宜壁厚为2mm,导磁材料的磁导率为2000μ0。根据此结果和磁路设计的2个遵循原则,对一7mm×20mmTerfenolD棒驱动的驱动器进行了磁路设计,应用ANSYS验证了该结构设计的合理性,并试制了驱动器样机。

Terfenol-D颗粒取向对树脂基磁致伸缩复合材料性能的影响

已有的研究表明,在树脂基磁致伸缩复合材料固化过程中,施加一定的磁场使Terfenol-D颗粒沿磁场方向取向排列可以形成伪1-3型复合结构,其静态磁致伸缩性能较颗粒随机取向的0-3型复合材料有一定程度的提高。本文旨在研究颗粒取向对磁致伸缩复合材料其它性能的影响。以Terfenol-D颗粒体积含量为50%的0-3型和1-3型环氧基磁致伸缩复合材料为研究对象,通过实验和计算对比两种材料的动静态磁致伸缩性能、增量磁导率、弹性模量、磁机械耦合系数。结果表明,颗粒取向不仅可以提高树脂基磁致伸缩复合材料的静态磁致伸缩性能和动态磁致伸缩性能,还能略微提高其弹性模量,但会适度降低其磁机械耦合系数。

Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

提出了一种“鱼唇式”弯张换能器的设计方案，采用变高度椭圆壳体，这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用，并设计制作了Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器。理论分析和湖上实验结果表明，Ｔｅｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器，具有较低的谐振频率，水中约为 １．１ｋＨｚ左右；较宽的频带，－３ｄＢ带通 Ｑ值低于 ３；发射电流响应为 １８２ ｄＢ；采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度．

磁致伸缩材料Terfenol-D非线性耦合有限元分析

为了研究巨磁致伸缩材料Terfenol-D的非线性耦合磁力特性及响应,提出一种增量显式有限元列式及其在通用有限元软件中的实现方法.该显式增量方法基于实验测得材料性质或非线性本构计算所得材料参数,通过分段插值函数描述磁致伸缩材料的材料参数随磁场和预应力的非线性变化关系,采用耦合方程的弱形式给出相应有限元列式及增量算法,并在通用有限元软件ABAQUS中执行数值算例.该方法通过显式插值避免大多数数值方法求解非线性方程组的迭代过程,只需要先进行稳定性验证来标定合适的增量步长即可保证结果的可靠性.数值分析结果表明,该方法具有较好的精度和稳定性,能够准确有效地模拟不同预应力水平和偏磁场强度下的磁致伸缩非线性耦合响应,同时能够反映预应力对最大磁致伸缩的影响,即"反转效应".该方法对磁致伸缩器件的设计应用及力磁耦合非线性分析具有一定的理论和实际意义.

刀型Terfenol-D传感器激励线圈对激励效果的影响

针对Terfenol-D传感器能够适用于管道任意表面检测问题,文中设计了一种刀型结构Terfenol-D传感器来实现与管道任意表面耦合。运用传输线法研究刀型结构Terfenol-D传感器的激励线圈参数对激励效果的影响。建立管道导波检测试验系统,分别采集线径为0.1~0.3 mm和线圈匝数为60~240匝多组检测信号样本,从信号样本中提取第一条焊缝的回波系数并绘制不同的图形进行分析。试验结果表明,回波系数随着线圈匝数的增加而增大;回波系数随着线径的增加呈现先增大后减小的趋势;该结构的最佳激励线圈参数为线圈匝数为180匝,线径为0.15 mm。

Terfenol-D棒的切割计算方法及其等效电路

为减小Terfenol-D棒的涡流损耗,提高工作效率,需要对Terfenol-D棒进行切割后使用.一般利用电磁有限元软件M axwell计算切割份数.本文提出一种简便的几何计算方法,用以计算满足极限工作频率要求的切割份数.在考虑与Terfenol-D棒一道构成闭合磁路的外部材料时,导出了这种磁致伸缩棒工作时的等效电路.本文的计算方法与算例相吻合.

Terfenol-D磁致伸缩形变测试及应用研究

基于准静态条件下线性磁致伸缩理论 ,对 7mm× 2 0 mm的 Terfenol- D试样 ,在其轴向施加 0、0 .0 4 5、0 .1 5 6、0 .662、6.9MPa压应力和 0～ 3A直流电磁激励条件下的磁致伸缩形变特性进行了测试 ,测得试样的最大轴向形变量可分别达到 4.98μm、7.94μm、8.64μm、1 4.74μm和1 9.7μm。实验结果表明 :磁致应变量随压应力载荷增加而明显放大 ;磁致应变输出效率随压应力载荷的不同而发生变化 ,并具有优选励磁范围。该结果为进一步的在驱动器设计时选定预压应力载荷和确定励磁电流强度范围提供了实验依据。文中对已试制出的基于试样的驱动器样机作了简介。

以Terfenol-D为核心元件的致动器低频输出特性实验研究

对无偏置磁场时低频(0～20Hz)范围内致动器的输出位移和致动器中Terfenol-D棒的伸长量同时进行了实验测试,并分析了致动器输出位移与Terfenol-D棒伸长量之间的关系.实验主要进行了交流输入电流频率一定时改变输入电流值和交流输入电流值一定时改变输入电流频率两种情况.分析实验结果可知,致动器的输出位移比致动器中Terfenol-D棒的伸长量小,器件有机械损耗,可见器件的结构设计有很重要的意义.为发挥Terfenol-D棒的性能,提高器件效率,可以优化结构设计.该实验研究结果对致动器的设计、优化具有一定的指导作用.

Terfenol-D高频磁滞特性测试与分析

目前对超磁致伸缩材料Terfenol-D的研究,主要集中于静态或准静态条件下的磁滞特性的测试和分析。为了更好的探究材料的高频磁滞特性,将Terfenol-D制成方形环状薄片样品,在不同驱动磁场频率和磁密幅值的条件下,测量其动态磁滞回线,分析磁损耗的数值和变化趋势,探究剩磁和矫顽力等磁特性参数随频率和磁密幅值的变化规律。测试结果表明:当驱动磁场频率或磁密幅值增加时,动态磁滞回线横向变宽、面积增大,剩磁、矫顽力和损耗也都随之增大。此项研究为超磁致伸缩材料Terfenol-D高频磁滞特性和电磁损耗的理论分析提供了实验数据基础。

基于Terfenol-D的管道超声导波换能器

针对于常规超声导波换能器激励能量有限的问题,采用了具有较高磁致伸缩系数和能量转换效率的新型超磁致伸缩材料Terfenol-D来研制管道超声导波激励换能器。通过使Terfenol-D材料产生振动并将振动耦合入管道来产生导波对管道进行检测,一次检测距离可达数10 m。在同等激励条件下,研制的激励换能器的能量是常规PZT材料的激励换能器的2.5倍以上,其对缺陷的定位精度<0.57%。

不同结构Terfenol-D棒的高频振动性能研究

为了高效应用Terfenol-D棒,研究了六种结构的棒。利用有限元软件对不同棒的磁芯损耗进行了仿真计算,并对其进行动力学仿真研究。加工了其中三种结构的棒,对棒的输出振幅进行了试验测试。结果表明:外径表面处,未处理棒的磁芯损耗最大;切片处理和切缝处理棒的磁芯损耗均减小,切片处理棒的磁芯损耗小于切缝处理。外径切缝棒整体的损耗最大;径向切割并粘接棒和切片处理棒整体的损耗小于未处理棒和外径切缝棒;两端切片棒整体的损耗大于切片并开槽棒和切片处理棒。未处理棒的谐振频率最高,机械品质因数最大,振幅最小;与未处理棒相比,切片处理棒或切缝处理棒的谐振频率和机械品质因数减小,振幅增大;切片处理棒的谐振频率和机械品质因数小于切缝处理棒,振幅远大于切缝处理棒。