磁致伸缩薄膜力学行为的有限元仿真研究

建立了一种磁致伸缩薄膜力学行为的有限元计算方法.该方法将磁致伸缩薄膜在磁场中的形变行为等效为薄膜在热场中的各向异性热膨胀形变行为,基于该等效模型,利用有限元软件计算了磁致伸缩薄膜悬臂梁的力学行为与外加磁场的关系.结果表明,该方法可有效模拟磁致伸缩薄膜在外磁场下的力学行为.     

薄膜-基体型磁致伸缩微致动器的数值模拟

磁致伸缩薄膜是一种性能优异的微驱动元件。本文针对磁致伸缩薄膜一基体结构中薄膜磁致伸缩系数与层合结构变形之间关系的问题，从经典层合板理论的角度导出了其基本方程，并在此基础上对基体远厚于薄膜的情形采用非层合板理论进行了简化。通过比较非层合板理论和层合板理论下的薄膜一基体结构变形的有限元结果，讨论了有关几何参数和物理参数的影响，给出了用非层合板理论近似处理薄膜一基体型磁致伸缩微致动器的适用条件。     

磁致伸缩材料的非线性本构关系

给出了磁致伸缩材料的两个非线性本构关系,即标准平方型和双曲正切型。在确定一维问题的本构系数时,基于已有的实验结果,引进一个材料函数,用来描述磁致伸缩材料的压磁系数随预应力变化的关系。将非 线性本构关系的理论模型计算结果与实验曲线对比,结果表明标准平方型本构关系在中低磁场下能精确地模拟实验曲线,而双曲正切型本构关系在高磁场时能反映材料的磁致应变饱和现象。讨论了在标准平方型本构的一般三维情形,给出了确定本构系数的方法。     

稀土超磁致伸缩材料应力与电磁耦合特性的实验研究

讨论了稀土超磁致伸缩棒特性实验的若干应力与电磁耦合问题，利用自己设计制作的实验装置建立了应力电磁耦合系统的物理模型，应用阻抗分析方法得到了相应的等效电路。测定了在电磁场与应力场共同作用下ＴｂｘＤｙ１－ｘＦｅ２－ｚ三元稀土合金超磁致伸缩棒的磁致伸缩系数，机电耦合系数等。针对磁通泄漏问题，专门设计制作了圆柱型硅钢密闭磁路，本的实验结果为稀土眼磁致伸缩材料应用器提供了重要而准确的数据。     

磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性

基于磁致伸缩材料的本构关系模型,结合磁致伸缩作动器结构动力学模型建立了可描述磁致伸缩作动器的电-磁-机耦合动力特性的运动方程.方程中考虑了作动器工作时磁致伸缩材料的弹性模量随着应力和磁场的改变而发生的变化,磁致伸缩材料的这种特性使得作动器系统表现出具有时变刚度的参数振动特性.通过对此参数振动方程进行数值求解,得到磁致伸缩作动器的参数频响特性,并研究了激励电流幅值以及作动器负载质量对作动器频响特性的影响.     

磁致伸缩主被动隔振装置中的磁机耦合效应研究

磁致伸缩材料和柔顺位移放大机构组成的主动驱动装置具有精度高、驱动力大等特点.将其与被动隔振装置并联,形成主被动隔振装置,可以弥补纯被动隔振在低频和微幅扰动工况下的不足.本文针对这类磁致伸缩主被动隔振装置进行磁机耦合效应研究.基于Jiles-Atherton模型,分析了磁致伸缩材料所受应力对有效磁场、磁化强度、磁致伸缩系数和材料杨氏模量的影响,表征了材料磁机耦合效应.在此基础上,建立了主被动隔振装置的动力学模型,分析了主动驱动装置与被动隔振装置间的耦合作用.在耦合作用影响下,若被动隔振装置刚度不同,即使输入磁场相同,驱动器产生的驱动位移和驱动力也不相同.磁致伸缩材料的变刚度效应使隔振装置整体等效刚度不再为定值,从而影响被动隔振效果.本文提出了通过柔顺机构参数设计减小前述两种耦合影响的方法.数值仿真结果表明,磁致伸缩主被动隔振装置在低于、接近和高于谐振频率三类扰动下,都能达到比被动隔振更好的振动抑制效果.此外,仿真结果验证了考虑磁机耦合效应的数值模型具有更高精度.      

超磁致伸缩换能器耦合磁弹性模型与振动特性分析

针对应用于非圆车削加工的超磁致伸缩换能器,建立了其耦合磁弹性动力学模型与复系数动力学微分方程,基于实验建立的激励电流磁致伸缩材料轴向位移-磁场强度三者之间的关系式,得到了换能器磁力-位移关系的磁动方程的解析解,分析了系统的频响特性及不同频率下,激励电流与换能器输出位移之间的滞回关系,对现有磁场-电流公式进行了修正,讨论...     

超磁致伸缩换能器系统动力学特性分析

根据第一压磁理论建立超磁致伸缩换能器系统含有平方、立方项非线性动力学模型,利用非线性振动近似解析方法对换能器系统进行分析,揭示了换能器系统非线性特性。利用基于MAT-LAB/Simulink的系统仿真理论,建立换能器系统动态仿真模型,发现换能器系统在一定参数下存在着混沌现象。通过数值模拟的方法对换能器系统做深入的理论分析,得出系统在不同参数下存在着倍周期、倒倍周期分岔等复杂非线性现象。本文的分析结果表明,超磁致伸缩材料的弹性模量、压磁系数、相对磁导率和系统阻尼系数等参数是超磁致伸缩换能器系统动力学特性的主要影响因素。     

超磁致伸缩材料的擦除特性和同余特性实验研究

超磁致伸缩材料在力磁耦合作用下具有复杂的迟滞响应。Preisach模型可有效描述物理过程中的滞后现象,它具有两个重要特性,即擦除特性和同余特性。擦除特性是指输入局部极大值擦除了加载过程中小于该值的所有极大值,或输入局部极小值擦除了加载过程中大于该值的所有极小值,同时,与这些历史极值相应的加载历史也被擦除,不再影响之后的输出。同余特性是指输入极大值与极小值相同的所有闭合曲线一致。本文通过实验系统地研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的磁致伸缩曲线、磁滞回线和应力应变的迟滞行为,发现其在力磁耦合下的非线性滞后行为具有擦除特性和同余特性。这满足了Preisach模型描述滞后现象的两个基本要求,验证了利用Preisach模型描述超磁致伸缩材料迟滞行为的可行性,为超磁致伸缩材料的非线性理论和器件设计提供了依据。     

超磁致伸缩车削加工刀架特性实验分析

利用光栅测微传感器(DG-10)和自行开发研制的优化后的超磁致伸缩车削加工刀架,对不同预压力、电流强度下刀架性能进行实验研究。实验中分别由压力传感器和改进后的控制电路调整所加预压力、电流的大小,通过数据采集系统记录光栅测微传感器所测得的磁致伸缩量。实验结果表明:在不同预压力下,刀架输出位移随着激励电流的增大而增大,直到达到饱和;同时在最大工作电流作用下,刀架的输出位移随着预压力的增大而增大,但当预压力增大到一定数值后,刀架的输出位移随着预压力的增大而减小。利用最小二乘曲线拟合、线性回归等数学方法得出了刀架在最大工作电流下,预压力与磁致伸缩量之间的拟合曲线及函数多项式,并确立了最佳工作预压力。建立了最佳工作预压力下电流与磁致伸缩量之间的函数关系式。通过误差分析看出理论分析和实验结果吻合的很好。     

Determining the Elastic Modulus of Compliant Thin Films Supported on Substrates from Flat Punch Indentation Measurements

Instrumented indentation is a technique that can be used to measure the elastic properties of soft thin films supported on stiffer substrates, including polymer films, cellulosic sheets, and thin layers of biological materials. When measuring thin film properties using indentation, the effect of the substrate must be considered. Most existing models for determining the properties of thin films from indentation measurements were developed for metal and dielectric films bonded to semiconductor substrates and have been applied to systems with film-substrate modulus ratios between 0.1 and 10. In the present work, flat punch indentation of a thin film either bonded to or in contact with a substrate is examined using finite element modeling. A broad range of film-substrate modulus ratios from 0.0001 to 1 are investigated. As the substrate is effectively rigid compared to the film when the film-substrate modulus ratio is less than 0.0001, the results are also useful for understanding systems with lower film-substrate modulus ratios. The effects of the contact radius, film thickness, elastic properties, and friction between the film and the substrate on the measured stiffness were quantified using finite element modeling in order to understand how the elastic properties of the film can be extracted from indentation measurements. A semi-analytical model was developed to describe the finite element modeling results and facilitate the use of the results to analyze experimental measurements. The model was validated through analysis of indentation measurements of thin polyethylene sheets that were supported on substrates of various stiffness.     

界面及热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响

本文基于Mori-Tanaka理论，考虑了界面相对超磁致伸缩复合材料的有效性能的影响，得到了具有界面相的超磁致伸缩复合材料的有效性能的一般解析表达。考虑到固化过程中热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响，通过数值计算，给出超磁致伸缩复合材料有效弹性模量、有效磁致伸缩应变及有效热膨胀系数随夹杂物长径比、体分比、界面参数和固化热残余应力的变化特征曲线，数值结果表明：界面和固化热残余应力对于超磁致复合材料有效性能的影响是显著的。     

边界膜剪切弹性模量对于微接触性能的影响

建立接触模型,理论分析了微接触中边界膜剪切弹性模量对于接触性能的影响. 接触区由两平行平面形成,属一维接触. 上接触表面为粗糙表面,具有矩形微凸体. 下接触表面为光滑平面. 两接触表面均处理成刚性表面. 微接触区中充满流体. 它分成两个子区,在微接触的出口区由于极小的接触间隙充满边界膜,在微接触的入口区由于接触间隙较大充满流体膜. 边界膜和流体膜行为决定整个微接触性能. 当膜厚较大时,这里边界膜可看成纳米级薄膜. 由于上接触表面处有限的剪应力承受能力,边界膜可于上接触表面滑移. 设下接触表面处剪应力承受能力很大而边界膜在下接触表面不滑移. 由于边界膜-接触表面间相互作用,边界膜黏度、密度和剪切弹性模量均沿膜厚变化,在理论分析中使用它们的等效值,这些值与边界膜厚度有关. 流体膜在两个接触表面均不发生滑移,分析中不考虑流体膜剪切弹性模量. 流体膜采用传统分析法. 给出了理论分析和若干变工况参数下的计算结果.      

Size-dependent elastic behavior of FGM ultra-thin films based on generalized refined theory

A generalized refined theory including surface effects is developed for functionally graded ultra-thin films with different surface properties. The classical generalized shear deformable theory is adopted to model the film bulk, while the bulk stresses along the surfaces of the bulk substrate are required to satisfy the surface balance equations of the continuum surface elasticity. As a result, the shape function also shows size-dependence on the film thickness. Since the film is non-homogeneous through the thickness, the state space method and approximate laminate model are employed to derive the variation of shape function through the thickness direction. A simply supported thin film in cylindrical bending is considered as an example to illustrate the application of the present theory. By comparing to the Kirchhoff plate theory including surface effects, the necessity of the present theory for FGM thin films is solidly validated. It is established that the present FGM thin films exhibit significant size-dependence when the thickness approaches to micro-scale. As the gradient index changes, the extent of size-dependence varies accordingly.     

有限厚度模型校准二维MoS2的Bimodal-AFM杨氏模量测量

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能, 在微纳机电系统、柔性电子器件等诸多领域有着广阔的应用前景. 弹性模量是二维材料的基本力学特性参量之一, 对其器件应用及应变调控有重要影响. 受限于二维结构和原子级厚度特征, 难以实现二维材料弹性模量的精确测量. 双模原子力显微镜的振幅调制-频率调制模式是一种高效测量二维材料杨氏模量的方法, 但刚性衬底对测量结果的影响不可忽视. 本工作通过双模原子力显微镜直接测得衬底与二维硫化钼的杨氏模量分布图, 并基于有限厚度模型对衬底效应进行修正, 得到了样品的本征杨氏模量值. 利用第一性原理计算得到了二维二硫化钼的弹性系数和杨氏模量, 对比发现实验和计算结果相当. 这说明双模原子力显微镜测量是一种可靠的二维材料杨氏模量直接测试方法, 且该方法无需制备悬空二维材料等繁琐步骤, 避免了常规测试中的不足. 本工作为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试分析以及高通量力学实验数据的统计分析提供了可靠的实验基础.      

BUCKLING ANALYSIS OF ELASTIC FILM BONDED ON SMP SUBSTRATE1)

形状记忆聚合物具有形状变化后在特定条件下可恢复的特点,因此作为一种柔性基底材料在柔性电子中得到广泛应用。对于形状记忆聚合物基底和弹性薄膜组成的双层结构,当 基底收缩时,其表面的弹性薄膜可以形成屈曲波形。针对基底收缩过程中波形的变化, 本文实验测得形状记忆聚合物材料在不同温度下的 属性,结合一维应变恢复函数,利用柔性基底表面薄膜屈曲波形参数(波幅、波长等)表达式,求解得到了在基底收缩的过程中,弹性薄膜屈曲波形的变化规律,和实验结果吻合很好。     

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

Mechanics of shaft-loaded blister test for thin film suspended on compliant substrate

Based on the von Kármán plate theory, the mechanics of a shaft-loaded blister test for thin film/substrate systems is studied by considering elastic substrate deformations and residual stresses in these films. In testing, films are attached to a substrate provided with a circular hole, through which loading is applied to the film by a flat-ended shaft of circular cross-section. The effect of substrate deformation on the deflection of the loaded film is taken into account by using a line spring model. For small deflections, an analytical solution is derived, while for large deflections a numerical solution is obtained using the shooting method. The resulting load-shaft displacement relation, which is essential in blister tests, compares favorably with finite element analysis.     

Adhesive elastic contact between a symmetric indenter and an elastic film

This paper examines the frictionless adhesive elastic contact problem of a rigid sphere indenting a thin film deposited on a substrate. The result is then used to model the elastic phase of micro-nanoscale indentation tests performed to determine the mechanical properties of coatings and films. We investigate the elastic response including the effects of adhesion, which, as the scale decreases to the nano level, become an important issue. In this paper, we extend the Johnson–Kendall–Roberts, Derjaguin–Muller–Toporov, and Maugis–Dugdale half-space adhesion models to the case of a finite thickness elastic film coated on an elastic substrate. We propose a simplified model based on the assumption that the pressure distribution is that of the corresponding half-space models; in doing so, we investigate the contact radius/film thickness ratio in a range where it is usually assumed the half-space model. We obtain an analytical solution for the elastic response that is useful for evaluating the effects of the film-thickness, the interface film–substrate conditions, and the adhesion forces. This study provides a guideline for selecting the appropriate film thickness and substrate to determine the elastic constants of film in the indentation tests.