超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为的理论研究

超磁致伸缩材料由于具有位移大、响应快、驱动简单等性能优势，在智能系统中具有广阔的应用前景。对于其力学行为的研究，在理论上涉及的关键科学问题是多场耦合问题的理论建模与定量模拟，而其应用需求则涉及对超磁致伸缩器件性能的定量预测及优化。目前超磁致伸缩材料在工业上最广泛的应用是作为换能器的核心制动元件，其磁学、力学行为与工况密切相关。应力、外磁场、环境温度都会改变材料的磁化强度和应变状态，在交变磁场作用下磁致伸缩棒截面上产生涡电流，该损耗使材料的磁化和应变曲线出现洄滞。针对这些问题已有很多学者1]-4]进行了研究，这些工作揭示了外部条件对超磁致伸缩材料磁学、力学性质的单向联合作用，如图1中虚线所示。然而对于超磁致伸缩材料力学行为的准确刻画还需要考虑更深层次的多物理场耦合关系（图1中实线所示）：由于超磁致伸缩材料被外场磁化而产生磁致应变的同时，被磁化的介质也可以充当一种源而改变其周围的磁场，改变的程度依赖于介质的变形，因此需要考虑介质对周围磁场的反作用；棒截面上的涡电流除了会带来磁滞损耗外还会产生大量的热，改变周围温度，进而因为热膨胀、热磁效应等改变超磁致伸缩棒的磁学、力学输出，所以涡电流的热效应也不可忽略；此外，超磁致伸缩棒在交变磁场下的振动响应使其应力状态发生改变，在建模时不能只考虑所施加的预应力，材料的实时应力状态必须加以考虑。图1中虚线和实线所指向的过程共同构筑了超磁致伸缩材料的多物理场耦合框架，综合考虑这些因素才能准确描述超磁致伸缩材料多场耦合非线性力学行为。本文围绕上述内容逐步深入，针对这一在理论和应用上具有重要意义的问题，开展了理论建模和数值模拟研究。