电磁固体力_磁_电作用的耦合效应
- 格式:pdf
- 大小:286.35 KB
- 文档页数:5
《Nb3Sn超导材料力-电磁-热多场耦合本构关系的多尺度计算方法》一、引言随着科技的不断进步,超导材料在能源、医疗、通信等领域的应用越来越广泛。
Nb3Sn作为一种重要的超导材料,其力-电磁-热多场耦合本构关系的研究对于理解其超导性能、优化其应用具有重要价值。
本文旨在探讨Nb3Sn超导材料的多场耦合本构关系的多尺度计算方法,以期为相关研究提供理论支持。
二、Nb3Sn超导材料概述Nb3Sn超导材料因其高临界电流密度和优良的机械性能,在磁体、加速器等高能物理设备中得到了广泛应用。
其超导性能受力、电磁、热等多场耦合作用的影响,因此,研究其多场耦合本构关系对于揭示其超导机制、优化其应用具有重要意义。
三、多场耦合本构关系Nb3Sn超导材料的力-电磁-热多场耦合本构关系描述了材料在多场作用下的力学、电磁和热学行为。
这种本构关系涉及多个尺度,包括微观原子尺度、介观晶粒尺度和宏观材料尺度。
因此,需要采用多尺度计算方法进行研究。
四、多尺度计算方法(一)微观尺度计算在微观尺度上,采用量子力学和电子结构计算方法研究Nb3Sn的电子结构、能带结构等基本物理性质。
这些性质对于理解材料的超导性能和力学性能具有重要意义。
此外,分子动力学模拟也可以用于研究材料的微观结构和力学性能。
(二)介观尺度计算在介观尺度上,采用相场法、有限元法等方法研究材料的晶粒结构、缺陷分布等对材料性能的影响。
这些方法可以模拟材料的实际工作过程,揭示多场耦合作用下的材料行为。
(三)宏观尺度计算在宏观尺度上,采用有限元法、边界元法等方法建立材料的本构关系模型,研究材料的整体力学、电磁和热学性能。
这些模型可以用于预测材料在实际工作过程中的性能表现,为优化设计提供依据。
五、计算流程与结果分析(一)计算流程首先,在微观尺度上计算Nb3Sn的电子结构、能带结构和力学性能;然后,在介观尺度上研究晶粒结构和缺陷分布对材料性能的影响;最后,在宏观尺度上建立材料的本构关系模型,预测材料的整体性能。
耦合关键知识点归纳总结耦合的知识点涉及到物理学、控制理论、计算机科学等多个领域,其中包括以下几个关键知识点:1. 物理耦合:在物理学中,耦合是指不同系统之间通过力、能量或者其他方式进行相互作用和影响的过程。
比如在机械系统中,各个零部件之间通过力的传递而产生相互作用;在电磁学中,电场和磁场之间通过相互作用而产生耦合效应。
物理耦合的研究涉及到力学、电磁学、热力学等多个领域。
2. 控制系统中的耦合:在控制理论中,耦合是指控制系统中各个部件之间的相互影响和依赖关系。
控制系统中的耦合往往会导致系统的性能下降,甚至产生不稳定的情况。
因此控制系统中的耦合分析和抑制是控制工程中的重要问题之一。
控制系统中的耦合涉及到系统动力学、信号处理、优化理论等多个方面的知识。
3. 计算机系统中的耦合:在计算机科学中,耦合通常指的是软件系统中各个模块之间的依赖关系。
软件系统中的模块耦合越紧密,系统的扩展和维护就越困难,因此降低软件系统中模块之间的耦合是软件工程中的一个重要目标。
软件系统中的耦合涉及到软件架构、设计模式、模块化等方面的知识。
4. 统计学中的耦合:在统计学中,耦合通常指的是两个或多个随机变量之间的相关关系。
通过耦合分析可以揭示随机变量之间的关联程度和影响程度,这对于统计推断和数据挖掘等领域具有重要意义。
统计学中的耦合涉及到概率论、随机过程、统计推断等多个方面的知识。
综上所述,耦合是一个跨学科的概念,涉及到物理学、控制理论、计算机科学、统计学等多个领域。
对于耦合的深入理解和研究有利于揭示系统的复杂性和行为规律,对于预测、控制和优化系统具有重要的价值。
因此,耦合是一个非常重要的知识点,对于多个学科领域的研究和应用具有重要的意义。
耦合电感的同向耦合与反向耦合1. 引言1.1 耦合电感的定义耦合电感是一种特殊的电感器件,它通过两个或多个线圈之间的互感作用来实现能量传递和信号传输。
在同向耦合中,两个线圈的匝数和方向相同,电感值会相互增加,使得系统整体的电感值更大。
而在反向耦合中,两个线圈的匝数和方向相反,电感值会相互抵消,使得系统整体的电感值减小。
耦合电感可以用于调节电路的频率特性,实现信号的放大和滤波,具有非常重要的应用价值。
在同向耦合中,由于电感值增大,可以实现信号的传输效果更好,信号损耗更小。
同向耦合还可以实现信号的放大和滤波,提高系统的性能。
同向耦合广泛应用于通信系统、无线电设备和各种电子设备中。
反向耦合则可以用于调节电路的阻抗匹配,减小系统的波动和干扰。
反向耦合在实际电路设计中起到了重要作用,可以提高系统的稳定性和抗干扰能力。
通过对同向耦合和反向耦合的比较分析,我们可以更好地理解耦合电感的特性和应用。
进一步研究耦合电感可以为电子技术的发展提供更多思路和可能性,推动电路设计和应用的进步。
1.2 同向耦合与反向耦合简介耦合电感是一种用于传输能量的电气元件,在电磁学中扮演着重要的角色。
耦合电感可以分为同向耦合和反向耦合两种类型。
同向耦合指的是两个电感之间的磁耦合方向相同,即它们的磁场方向保持一致。
反向耦合则表示这两个电感之间的磁耦合方向相反,即它们的磁场方向相互抵消。
同向耦合和反向耦合在电路中起着不同的作用。
同向耦合会增强电感之间的耦合效果,使得能量更好地传输。
而反向耦合则可以用来减小电感之间的耦合效果,从而控制电路的性能。
在实际应用中,同向耦合和反向耦合有着各自独特的应用领域。
同向耦合常常用于构建高效的能量传输系统,比如无线充电系统。
而反向耦合则可以应用在抑制电磁干扰、降低互感电感等方面。
通过比较同向耦合和反向耦合,我们可以更好地了解它们各自的特点和作用,并为耦合电感的进一步研究提供重要的参考。
深入研究耦合电感的不同类型,有助于拓展其在电路设计和电磁学领域的应用。
机械电磁场的耦合分析与优化研究引言:机械电磁场的耦合分析与优化研究是一门跨学科的科学,涉及机械学、电磁学和优化理论等多个领域。
它的研究对象是机械系统中同时存在机械和电磁场相互作用的问题。
本文将以分析机械电磁场耦合的原理、方法和优化研究为主线,探讨这一领域的相关内容。
1. 机械电磁场耦合的原理分析机械电磁场耦合是指机械系统中的电磁场与机械运动相互作用,从而影响机械系统的运动与性能。
这种耦合现象常见于电动机、变压器、电磁刹车等电磁设备中。
机械电磁场耦合的原理分析首先需要了解机械和电磁场的基本定律。
针对机械系统,可以使用牛顿力学和振动理论进行分析。
而电磁场的研究则基于麦克斯韦方程组和电磁场理论。
机械电磁场耦合则需要将机械与电磁场的相关方程联立,进一步求解得到耦合效应。
2. 机械电磁场耦合的数值模拟方法为了更好地研究机械电磁场耦合效应,研究者们开发了各种数值模拟方法。
其中最常用的方法是有限元法和有限差分法。
有限元法是一种数值解微分方程的方法,可以用于求解机械结构中的机械学问题。
而在机械电磁场耦合问题中,有限元法能够求解机械结构和磁场的耦合问题。
例如,通过有限元法可以计算出电机中的电磁场分布,进而对电机的性能进行评估。
有限差分法则是一种适用于计算区域离散化的数值方法,可以模拟电磁场的分布和演化规律。
在机械电磁场耦合中,有限差分法可以求解电磁场对机械结构的影响。
通过模拟不同参数的变化,可以优化机械结构,提高系统的整体性能。
3. 机械电磁场耦合的优化研究机械电磁场耦合的优化研究旨在找到使机械系统的运动性能最优化的方法。
这一领域包括结构优化、参数优化以及材料优化等多个方面。
结构优化是指通过改变机械系统的结构设计,从而减小机械电磁场耦合效应的影响。
例如,在电机设计中,可以通过合理安排磁场线圈的布局和选用特定的材料,减小电磁场引起的振动和噪声。
参数优化是指通过调整机械系统中的参数,使得机械电磁场的耦合效应得到优化。
电磁场与化学反应的耦合研究电磁场和化学反应是两个看似相互独立的学科领域,但实际上它们之间有着密不可分的联系。
随着科技的发展,越来越多的研究表明,电磁场对化学反应的影响是存在的,并且它们之间的耦合效应是可以利用的。
本文将介绍电磁场与化学反应的耦合研究的相关知识。
电磁场对化学反应的影响在化学反应中,物质会发生化学变化,产生放热或吸热现象。
电磁场会影响化学反应速率和可逆性,其影响涉及分子量子态和离子状态的改变、原子轨道对称性的破缺、溶液中的电场效应等。
举例来说,强磁场对一些有机分子的化学反应速率和产物选择性有明显的影响。
此外,强磁场还可以改变液晶分子的排列方向和相互作用力,从而影响其性质和应用。
另一方面,光照在化学反应中也有着重要的作用。
研究表明,光照能够改变通常需要高温或高压才能进行的化学反应,促进其进行。
这个现象被称为光促进化学反应。
通过调控不同波长、不同强度的光,可以对化学反应的速率和选择性进行控制。
化学反应对电磁场的响应除了电磁场对化学反应的影响,化学反应也会对电磁场产生一定的响应。
化学反应中的原子和分子都带有电荷,产生了电场。
因此,在光场和电场的作用下,分子分裂、合成等化学反应会向外释放电子,导致光吸收和发射现象的出现。
利用电磁场促进化学反应通过对电磁场和化学反应之间的关系的深入研究,人们已经可以利用电磁场促进化学反应,增强其反应速率和产物选择性。
举例来说,超声波或微波辅助化学反应已经得到了广泛的应用。
在这些化学反应中,电磁场提供了能量,使得反应过程更为高效,并且可以控制反应的过程和产物选择性。
未来的展望随着科技的不断发展,电磁场与化学反应的耦合研究将会变得越来越深入。
未来我们有理由相信,利用电磁场调控化学反应速率和产物选择性的技术将会得到更加广泛的应用和推广。
结论在本文中,我们介绍了电磁场和化学反应之间的密切关系,并着重介绍了电磁场对化学反应的影响、化学反应对电磁场的响应、利用电磁场促进化学反应等方面的知识。
电流耦合效应-概述说明以及解释1.引言1.1 概述电流耦合效应是指在电子设备或电路中,当一个电流通入或经过一个电路时,会引起其他相邻电路或设备中的电流产生变化的现象。
这种现象是由于电路或设备之间的电性相互影响而产生的。
随着电子设备和电路的不断发展和进步,电流耦合效应变得越来越常见和重要。
在密集的电子元件布局和高频率信号传输的环境中,电流耦合效应可能会导致电路的干扰、噪声和性能下降,甚至还会对设备的正常工作产生严重影响。
电流耦合效应的产生主要是由于电路中的电磁场相互作用引起的。
当电流通过一个导体时,会产生一个相应的磁场,而这个磁场会通过电感、互感或电容等传导媒介的作用,影响到其他电路中的电流。
这种相互作用可以是通过电磁感应、电磁耦合或电容耦合等方式实现的。
为了应对电流耦合效应,我们可以采取一系列的措施来减小或消除它的影响。
例如,可以通过优化电路布局和设计、合理选择电子元件的位置与排列方式,以及使用屏蔽技术和滤波器等器件来隔离电磁干扰。
总之,电流耦合效应作为一个重要的电子设备和电路设计领域的问题,在现代电子技术中具有重要的意义。
深入研究和了解电流耦合效应的机理和影响,对于提高电路和设备的性能、可靠性和抗干扰能力具有重要的指导意义。
因此,深入研究电流耦合效应的本质和应对方法,对于电子工程师和研究人员来说具有非常重要的意义。
文章结构部分的内容应包括该篇文章的章节和各章节的内容概述。
具体来说,在该部分可以写下每个章节的主题和概要,以帮助读者了解整篇文章的结构和内容布局。
以下是对文章结构部分的内容进行编写的示例:1.2 文章结构本篇文章主要围绕电流耦合效应展开讨论,主要分为以下三个章节:2.1 电流耦合效应的定义在本节中,将对电流耦合效应进行详细的定义和解释。
首先,将介绍电流耦合效应的基本概念,并探讨它的产生机制和原理。
同时,将对电流耦合效应与其他相关概念进行比较,以便读者更好地理解该效应的定义和特点。
2.2 电流耦合效应的产生原因本节将研究导致电流耦合效应产生的各种原因。
霍尔效应理论发展历程及其应用进展摘要:霍尔效应是美国物理学家霍尔在读研究生的时候,在研究载流子导体在磁场的实验中产生电动势的一种效应。
一百多年以来,霍尔效应不断地发展完善,而且它的应用更加广泛。
本文主要简单介绍了霍尔效应的发展历程以及应用。
关键词:霍尔效应;发展历程;应用进展霍尔效应作为一种磁电效应,是霍尔在研究载流子导体实验中发现的,因此后来以他的名字命名得到“霍尔效应”。
霍尔效应的出现,使得当时的信息工程技术得以革命性的发展,以及在近代半导体材料的应用中,霍尔效应显得更为显著,利用半导体材料做成的霍尔元件器应用极其广泛。
在技术不断发展的同时,科学家在更为极端的实验条件下,观察到了铁磁材料的电导率呈台阶式,即量子霍尔效应,并两次获得了诺贝尔物理学奖;以及现代科学家在实验条件下观测到的量子反常霍尔效应,这一突破性的研究使得霍尔效应的发展更为完善,同时使它的应用更为广泛。
本文主要以时间为线索简单介绍霍尔效应的发展历程,以及霍尔效应的主要应用领域。
一、霍尔效应的理论发展历程(一)经典霍尔效应1879年,还在读研究生的霍尔,在研究载流导体在磁场中的受力性质时,发现了一种效应,后来称为霍尔效应。
当一电流垂直于外磁场方向而流过导体时,在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一电势差,这种现象称为霍尔效应,而所产生的电势差称为霍尔电压。
[1]如图,将一个半导体薄片放在垂直于表面的磁场B中,在它的1,2,3,4侧面分别引出两对接线,当沿着x方向通以电流I时,就会在1和2两个面上产生电动势差,形成霍尔电压VH;V H=IB/(nqd)=KIB其中式中K=1/(nqd)称为霍尔元件灵敏度;因此如果知道K,在实验中测量出I和V,就能算出磁场B。
(二)反常霍尔效应在发现霍尔效应之后,霍尔继续在研究一些磁铁的材料样品时,发现这些磁铁材料的霍尔系数比金大十倍;而且会受到温度的影响,温度的升高,材料的霍尔系数会急剧增大;霍尔电压和外加磁场不成正比关系,且当磁化强度达到饱和时,它就变成常数。
电磁反向散射耦合电磁反向散射耦合(Electromagnetic Reverse Scattering Coupling)是一种电磁场问题中常见的复杂现象。
在本文中,将介绍电磁反向散射耦合的概念、原理、应用及未来发展趋势。
一、概念电磁反向散射耦合是指发生在复杂目标物体上的电磁反向散射现象,具有强烈的频率依赖性以及耦合效应。
这种现象常常导致信号的失真和噪音的增强,对相关技术的应用和研究产生了一定的影响。
二、原理电磁反向散射耦合的原理主要依据于目标物体的形状、大小、材料以及入射电磁波的特性等因素。
当电磁波入射到目标物体表面时,将发生反射、透射、散射等过程,其中反射和散射是主要因素。
由于目标物体的形状、材料等因素的差异,反射和散射过程中产生的散射场与反射场之间的相互作用就会导致电磁反向散射耦合的现象。
三、应用电磁反向散射耦合的应用十分广泛,具有很高的实用价值。
例如在雷达和无线通信技术中,电磁反向散射耦合的研究能够提高电磁波传输的稳定性和可靠性,降低信号的失真和噪音的干扰。
此外,电磁反向散射耦合还可以应用于材料科学、电磁兼容性分析等领域。
四、未来发展趋势随着计算机技术、数值计算方法等科技的不断进步,电磁反向散射耦合的研究正在向着更深入的层次推进。
未来,人们将进一步探索电磁反向散射耦合的机理和规律,开发更加高效的计算方法和模型,以提高电磁波传输的性能和效率。
同时,人们将会研究电磁反向散射耦合与多场耦合、多物理场耦合等问题的关系,以期在复杂环境中实现更加准确、稳定的电磁波传输和信号处理。
综上所述,电磁反向散射耦合作为电磁场问题中重要的现象,对相关领域的研究和应用产生着重要的影响。
随着科技的不断发展,人们对电磁反向散射耦合的研究将会更加深入,其应用前景也将更加广泛。
磁电复合材料非线性力学行为及磁电效应的理论研究磁电复合材料非线性力学行为及磁电效应的理论研究概述:磁电复合材料作为一种新兴的功能材料,具有其特殊的组织结构和独特的物理化学性质,在力学行为和磁电效应方面呈现出非线性行为。
本文将从理论研究的角度探讨磁电复合材料的非线性力学行为及磁电效应,以期对该类材料的特性有一个更全面和深入的理解。
一、磁电复合材料的基本概念和组成磁电复合材料是由磁性物质和电性物质相互作用形成的一种新型复合材料。
其基本组成包括导电性基体、磁性纳米颗粒、磁电活性相、外加电磁场等组成。
磁性纳米颗粒的特殊结构和优良性能使其具有优异的磁电效应。
二、磁电复合材料的非线性力学行为磁电复合材料的力学行为表现出多种非线性现象,包括弹性非线性、塑性非线性和破坏非线性等。
其中,弹性非线性主要由磁场-应力耦合效应引起,塑性非线性主要由材料的应力-导电性耦合效应和磁致塑性效应引起,破坏非线性主要由材料的裂纹扩展和破坏机制引起。
非线性力学行为的研究对探索磁电复合材料的载荷响应和力学性能具有重要意义。
三、磁电效应的理论研究磁电效应是指磁电复合材料在外加电磁场下产生的电磁耦合效应。
这个效应主要包括磁致电效应和压电磁致磁效应。
磁致电效应是指材料在外加磁场下产生的电位移,而压电磁致磁效应是指材料在外加电场下产生的磁场变化。
这两种磁电效应与材料的微观结构和应力状态密切相关,通过理论模型的建立和仿真模拟的研究,可以深入揭示磁电效应的机理和特性。
四、磁电复合材料的应用前景磁电复合材料由于其独特的功能性能,在多个领域具有广泛的应用前景。
例如,在能源领域,磁电复合材料可以用于内燃机的能量回收和转换;在电子领域,磁电复合材料可以用于传感器、电磁波控制和信息存储等方面;在医学领域,磁电复合材料可以用于生物传感、医学成像和治疗等方面。
磁电复合材料的应用前景广阔,但也面临着材料合成、性能控制和成本问题等挑战。
结论:磁电复合材料作为一种新兴的功能材料,在非线性力学行为和磁电效应方面呈现出独特的特性。
Sih(两篇)和Huang、Gao等大多数学者在研究电磁固体时都采用了以下基本方程。在无体力、无电荷、无电流密度情况下,三维电磁固体的控制方程为:
,,,000ijjiiii
DB
(4-3)
其中ij、iD和iB分别为应力、电位移和磁感应强度, ,1,2,3(,,)ijxyz。 各向同性电磁固体的本构方程为:
ijijkskssijssijsiiksksississiiksksississ
CeEhHDeEHBhEH (4-4)
其中,,,,,ijklijkijijijijceh分别表示弹性常数、压电系数、压磁系数、介电系数、电磁常数和磁导率。 对于线性问题:
,,1()2ijijjiuu ,iiE,iiH
(4-5)
其中iu,,分别表示位移、电势和磁势。 Zhao等直接用位移iu,电势和磁势表示的本构关系为:
,,,,,,,,,,,,()/2()/2()/2ijijklkllkkijkkijkiiklkllkikkikkiiklkllkikkikk
cuuefDeuugBfuug (4-6)
其中ijijkijijijklgfec,,,,和ij分别表示弹性常数、压电系数、压磁系数、介电系数、电磁常数和磁导率。 Wang等将其表示成张量形式:
ΤΤ
σ=cε-eΕ-hΗD=eε+αΕ+βΗB=hε+βΕ+γΗ (4-7)
冯雪等认为,磁致伸缩材料的本构方程可以表示为 2ijijklklkijkijklkliijkjkijjijkljklEhHHHBhHH (4-8) 其中ij,ij,iB和iH分别是应力,应变,磁感应强度和磁场强度;ijklE和ij是弹性模量和磁导率;ijkh和ijkl是压磁系数和磁致伸缩系数。可以看出,力磁耦合效应可分为两个部分:压磁效应和磁致伸缩效应。压磁效应是线性的而磁致伸缩效应是非线性的。另外,磁致伸缩材料的实验表明,应变响应与外磁场是平方关系,即应变对于方向相反的磁场是对称的,本构关系中磁场变量只能以偶次方出现。 压磁方程:ijijklklkijkiijkjkijjEhHBhH 压电方程
常见的流固耦合问题流固耦合问题是力学领域中的一类重要问题,涉及到流体力学、固体力学、热力学、化学反应、电磁学、生物力学、环境科学和工程应用等多个方面。
本文将分别介绍这些方面的流固耦合问题。
1.流体力学方面流体力学方面的流固耦合问题主要涉及到流体与固体之间的相互作用。
例如,在流体动力学中,流体对固体边界的冲击和摩擦力可以影响固体的稳定性和形状;在流体静力学中,流体对固体表面的压力分布可以导致固体的变形和破裂。
此外,流体的流动和温度变化也会影响固体中的热应力分布。
2.固体力学方面固体力学方面的流固耦合问题主要涉及到固体在流体作用下的力学行为。
例如,在海洋工程中,船体在波浪作用下的振动和变形会影响船的性能和安全性;在航空航天领域,飞行器在空中飞行时,空气对飞行器表面的压力分布会导致飞行器的变形和疲劳裂纹。
此外,固体在高温、低温或腐蚀性流体环境中的性能也会受到很大影响。
3.热力学方面热力学方面的流固耦合问题主要涉及到热量传递和热力学效应对流固耦合的影响。
例如,在能源工程中,热流体对换热器中固体材料的影响会直接影响设备的性能和安全性;在化学工业中,化学反应过程中产生的热量对反应器和管道中的固体材料性能有很大影响。
此外,温度变化还会引起固体材料的热膨胀和热应力分布变化。
4.化学反应方面化学反应方面的流固耦合问题主要涉及到化学反应过程中产生的流体和固体材料之间的相互作用。
例如,在石油化工中,石油裂解过程中产生的气体和液体对反应器中固体材料表面的腐蚀和冲刷会影响设备的使用寿命和安全性;在环保领域,化学反应过程中产生的有毒有害气体对催化剂和吸收剂的性能有很大影响。
此外,化学反应过程中产生的热量也会影响流体的温度分布和热力学效应。
5.电磁学方面电磁学方面的流固耦合问题主要涉及到电磁场对流体和固体之间相互作用的影响。
例如,在电磁泵中,电磁场对流体的压力和速度分布有很大影响;在电磁分离中,电磁场可以用于分离不同磁性的颗粒物。
磁耦合谐振式无线电能传输特性的分析与研究磁耦合谐振式无线电能传输特性的分析与研究随着科技的不断发展,无线电能传输作为一种新型的能量传输方式逐渐引起了人们的兴趣。
在许多应用场景中,传统的有线电力传输不再适用,因此无线电能传输成为了一种重要的研究方向。
在无线电能传输的各种方式中,磁耦合谐振式无线电能传输因其高效性和可靠性而备受关注。
磁耦合谐振式无线电能传输是利用强磁场和双重谐振原理实现的一种无线能量传输方式。
在这种方式中,发射端和接收端分别由共振器和耦合线圈组成,通过电磁场的耦合效应来传输能量。
典型的磁耦合谐振式无线电能传输系统如图1所示。
磁耦合谐振式无线电能传输的特点之一是传输效率高。
通过精心设计的共振器和耦合线圈,系统可以实现高效能量传输。
在传输过程中,发射端将电能转换为磁场能量,而接收端则将磁场能量转换为电能。
由于双重谐振的作用,传输效率可以达到非常高的水平。
研究表明,磁耦合谐振式无线电能传输的传输效率可以高达90%以上,远高于其他无线能量传输方式。
此外,磁耦合谐振式无线电能传输还具有较远传输距离的特点。
由于磁场的传播性质,该传输方式可以实现较远的能量传输。
在一些实验中,已经成功实现了几米甚至十几米的传输距离。
这使得磁耦合谐振式无线电能传输在某些场景下具有重要应用价值,比如在电动汽车的充电过程中,无需使用传统的插电充电方式,可以通过地面埋设的充电线圈将电能无线地传输给车辆。
然而,磁耦合谐振式无线电能传输也存在一些问题和挑战。
首先,传输效率受到距离和位置的影响。
较长的传输距离和不恰当的位置对传输效率有较大的影响,需要通过优化系统设计和调整参数来提高传输效率。
其次,磁场的传输也可能对周围环境产生一定的干扰。
强磁场可能对电子设备和生物体造成不利影响,需要适当的屏蔽措施和安全保护措施。
为了克服这些问题和挑战,研究人员正在进行相关的研究和探索。
一方面,他们在优化共振器和耦合线圈的设计,以提高传输效率和距离。
收稿日期:1999203210.基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(19725207).作者简介:郑晓静(19592),女,教授,博士生导师. 文章编号:045522059(1999)0320017205电磁固体力—磁—电作用的耦合效应郑晓静(兰州大学力学系,甘肃兰州 730000)摘要:详细介绍了兰州大学电磁固体结构力学研究组近年来在铁磁弹性结构力磁耦合模型建立与定量分析、超导载流磁体磁弹性行为模拟、磁悬浮列车动力控制稳定性与仿真以及压电型智能结构主动控制和小波方法等方面的研究工作和成果.关键词:电磁固体力学;智能结构;磁悬浮列车;超导载流磁体;磁弹性中图分类号:Q 34315 文献标识码:A电磁固体力学的研究对固体力学理论体系的完善和工程应用中实际问题的解决有着重要意义.以磁弹性固体力学为例,由于铁磁材料在外界磁场作用下的磁化效应,处于外加磁场中的铁磁结构将在无直接接触的外界载荷情况下发生变形、失稳以及振动.如何描述这种外界磁场与铁磁材料相互作用形成的“力”效应,一直是固体力学理论研究的重要课题之一,吸引着众多学者,其代表人物有[1]:W .F .B row n (1966),F .C .M oon (1968),A .C .E ringen (1980),G .A .M augin (1981),Y .H .Pao (1978)以及van L ieshou t (1987)等.而电磁固体力学的应用领域,随着高新技术的发展和电磁场技术的不断开发而愈来愈广阔,如:热核聚变反应堆中的托卡马克装置的许多结构和它的第一壁在强磁场作用下的强度问题、稳定性问题直接涉及反应堆整体的安全性;又如:磁悬浮列车以及一些以电、磁物理量为输入或控制量的敏感元件和执行器的设计等.特别是由于各种新型功能材料的不断问世和商业化,如:超导材料、巨磁电阻材料等,使人们比以往任何时候都更为迫切地希望了解那些由对电磁效应敏感的材料制成的结构——电磁固体结构的力学行为以及它们与电磁效应间的响应关系.兰州大学电磁固体结构力学研究小组自90年代初率先在国内展开电磁固体力学领域的研究工作,取得具有实质性进展的研究成果.在得到国内同行的充分肯定与认可的同时,与美国、日本和法国等国外同行建立了广泛深入的合作伙伴关系,如:与美国加州大学里夫塞德分校“纳米工程与智能材料中心”的合作研究与研究生联合培养、与日本东京大学核工程实验室的合作并由此争取到日本应用电磁材料与力学学会捐赠兰州大学300万日元资助以电磁固体力学研究方向为主的研究生奖学金等.该小组近年来的主要工作如下.1 铁磁体力磁耦合模型建立与定量分析在现有描述铁磁体磁弹性力学行为的诸多模型中,主要存在如下局限性[2]:(1)只能定性描述铁磁悬臂梁式板在横向磁场中的失稳实验(即负磁刚度现象),而由此第35卷第3期1999年9月兰州大学学报(自然科学版)Journal of L anzhou U niversity (N atural Sciences )V o l .35N o.3Sep t .199981 兰州大学学报(自然科学版) 第35卷得到的临界磁场的定量预测值与实验值存在较大差别.(2)在描述铁磁悬臂梁式板在面内纵向磁场中的固有频率上升实验(即:正磁刚度现象)时,得出固有频率下降的结论,与实验现象相违.(3)用麦克斯韦应力张量描述力磁效应所得结果与实验不符,缺乏描述三维铁磁体的有效模型.除此之外,由于电磁场与力学场场方程的耦合,定量分析结果不仅为数甚少,而且往往忽略或简化了磁弹性力学问题本身的强耦合效应.针对上述问题,本小组完成如下工作[3~6]:(1)指出已有主要模型的局限性,建立了以可磁化介质固体和薄板结构力学应变能和磁能为总能量泛函的广义变分原理,由此得到反映磁能与机械能转换的磁力表达式和描述磁场与力学场耦合作用的基本方程.这是目前能同时模拟正、负磁刚度现象的惟一的理论模型.(2)提出磁弹性力学问题的本质是非线性的观点.即:既使仅仅考虑结构的线弹性力学行为和线性磁化效应,磁场与力学场一经耦合,此类问题的控制方程为一组非线性微分方程.在此基础上,建立了对这类耦合的、非线性偏微分方程组求解的定量分析程序,成功模拟了横向磁场中铁磁板的弯曲与失稳、面内纵向磁中铁磁梁式板的振动以及圆柱壳在横向磁场中的弯曲等实验.针对在强磁场情形,由于磁饱合出现的非线性磁化,考察了具有双重非线性效应(分别由耦合效应和物理非线性引起)的铁磁板、壳的力学行为,指出:非线性因素的考虑将使结构设计偏于安全.(3)从理论上澄清了铁磁板发生磁弹性弯曲与磁弹性屈曲失稳的磁场条件.从定性、定量两个方面揭示:倾斜外界磁场中的铁磁板将发生磁弹性弯曲(F.C.M oon曾否定磁弹性弯曲现象的发生),且失稳是经磁弹性弯曲演变而成;磁弹性弯曲变形将使结构磁弹性失稳临界值减小,直接影响结构的安全设计.(4)成功模拟了几何非线性简支梁式板在周期激励磁场中的振动.定量分析发现:铁磁梁式板在周期激励磁场中具有动力分叉、屈曲、奇怪吸引子和混沌这些极为丰富的动力学行为.同时还考察了涡电流对磁场中铁磁板振动的阻尼效应.2 超导载流磁体的磁弹性行为模拟在托卡马克装置中,超导载流线圈被用来产生强磁场以约束高温等离子热核反应在指定区域进行.这样,在借助超导磁体的强电流产生强磁场的同时,超导磁体也受到强电磁力的作用发生弯曲与失稳,进而影响整个装置的正常运行.已有的理论研究均不能同时预测出线圈由磁弹性弯曲至失稳的全过程.本研究小组在这一方面所开展的工作有[7~9]:(1)基于曲梁弯曲理论、B i o t2Savart定律和L o ren tz定律,建立了描述结构全部变形模式、反映力—电—磁耦合作用的非线性磁弹性理论模型.(2)针对由理论模型给出的高阶非线性常微分方程,建立半解析半数值算法,对三线圈超导局部To ru s、八线圈轴对称放置的To ru s、螺旋型线圈的力学行为进行了全面的定量模拟.由于所建模型的合理性和求解方法的高精度,使理论预测的临界电流值与实验值的误差在5%以内,大大低于原有理论分析与实验值的误差.同时,通过分别分析中间受一个点支撑约束、两个点支撑约束以及一个夹紧支撑时线圈失稳的临界电流值,发现线圈中部受一个夹紧支撑约束是约束数目尽可能减少、线圈临界电流值又大大提高的值得推荐的约束方式.(3)针对目前工程实际中大多采用的是非圆D 型线圈,建立了描述非圆形线圈面内、外全部变形的非线性力磁耦合模型,即变系数非线性常微分方程组.通过半解析半数值方法的定量模拟,发现对非圆形线圈,随着各圆弧间的半径比Κ的增大,线圈的临界电流值相应增大,且当1<Κ<11382时,其临界电流值的增大要比Κ>11382时要快;当Κ=11382时,线圈的力学行为呈最优状态.这是圆形线圈所不具备的.3 磁悬浮列车动力控制稳定性与仿真磁悬浮技术在交通、轧钢以及微电子器件等领域已有应用,其中磁悬浮列车以其耗能低、速度快、无磨损、噪音小等优点为各国研制和开发.我国已有样车试验成功并准备投入运营.但由于造价高和周期长,尚未进行磁悬浮列车高速状态试验.然而,悬浮且高速行驶的车体与高架弹性轨道之间的动力耦合特性是系统安全、可靠的重要因素之一.在已有的文献中,磁浮力往往被简化为等效弹簧力,而实际中磁浮力随悬浮高度变化,而悬浮高度又受被控系统的电流、电压以及悬浮力的影响.作为国防科工委的预研项目并列入国家科技部“九 五”重大软课题的子项目,本研究小组对具有控制系统的磁悬浮列车高速运行状态下的动力行为进行了仿真研究和稳定性分析[10,11]:(1)对刚性轨道上的磁浮体控制系统,给出位移与速度反馈控制系统稳定的参数取值条件与范围以及控制参数对磁浮体铅直运动的影响特征.(2)对弹性轨道上运行的磁浮控制体,应用F loquet 理论与分支方法,给出系统稳定参数的区域以及车体与变形轨道动力响应的模拟.(3)对二级磁悬浮体动力控制系统,利用L iapunov 特性指数判别动力控制系统的稳定性,并对系统动力响应进行了理论模拟,发现:一级悬浮体的质量显著影响着轨道挠度,同时,当列车速度小于015倍的列车临界速度时,轨道挠度随列车质量单调增,而在大于015倍的临界速度时,呈单调减.同时,系统阻尼对系统的动力影响与悬浮体的运行速度有关.4 压电型智能结构的主动控制及小波方法智能结构的压电控制是利用压电材料的正、逆效应,将压电薄膜粘贴或嵌入结构表面或内部作为感应器和致动器,以感应结构的变形,并通过与外部控制电路系统相连达到对结构振动的形状和频率实施控制.已有的理论研究和控制方法往往对压电片的形状有要求,致使加工困难;或不能兼顾所控模态的通用性并避免由于控制溢出造成控制失稳;除此之外,往往只考虑结构的线性变形,缺乏对柔韧构件压电控制非线性定量分析方面的工作.小波理论是近年来形成和迅速发展的一种数学工具,在信号分析、图象识别、函数逼近和微分方程求解等领域应用广泛.在用于边值问题求解中,可对区域进行自动划分;在将试函数取为小波函数后,其计算具有精度高和收敛速度快的特点.但由于小波函数基函数的高阶(二阶以上)导数在求导和积分运算方面的计算困难,一直难以用于力学问题.本研究小组在周又和教授主持的国家自然科学基金项目的资助下,开展如下工作[12~14]①:(1)对于几何非线性变形圆板和扁球壳在压电致动器的静电压作用下的动力行为,建立91第3期 郑晓静:电磁固体力—磁—电作用的耦合效应 ①Zhou Y H ,T zou H S .A ctive contro l of nonlinear p iezoelectric circular spherical shells[J ].Int J So lid Struct,1999,36.02 兰州大学学报(自然科学版) 第35卷了结构频率随控制电压变化的理论模型与定量分析方法,给出其定量结构;用K BM摄动技术讨论了其电压控制对大振幅情形的幅频效应的影响规律以及环境温度对被控频率的影响.(2)对于小波方法中的高阶导数计算和分解系数的数值积分,建立了精度较高的导数计算格式、小波高斯积分公式和相应的误差估计.利用这一方法给出了由其它方法难以求解超越非线性微分方程边值问题的解,并将小波伽辽金有限元方法应用到包括变截面、几何非线性情况的梁、板结构力学边值问题的求解中.(3)对于线性和几何非线性梁、板结构动力控制问题,在建立广义小波高斯积分法的基础上,给出了结构变形构型识别的显式公式以及致动压电片上控制电压施加的控制方法.由于小波尺度函数变换具有低带通性质,这一控制方法除给出由感应片电信号识别结构变形构型的显式表达式外,还避免了控制溢出造成的控制失稳,并具有通用性和快速抑制外界扰动等优点.(4)针对压电材料中表面声波的产生及传播,证实高速旋转体表面声波的存在性,并就科氏惯性力、向心力对表面声波波速的影响给出定量分析.这一工作将使利用表面声波速度变化测定高速旋转体的角速度成为可能.除上述各方面的研究工作外,本研究小组还对沙尘暴过程中的风沙电现象展开研究工作.在总结沙尘暴对无线电波可能产生的影响基础上[15],建立了以气体与带电尘粒两种介质的多相流力、电、磁耦合的基本数学模型.定量分析结果发现,沙尘运动的轨迹受沙尘带电的影响和带电电荷符号的影响十分明显.此方面的研究亟待深入.5 结束语随着高新技术的不断发展和社会对高新技术需求的增加,将更进一步促使力学工作者去探讨结构的力学行为对新材料(对热、电、磁等更为敏感)、新工况(热、电、磁、失重等)和新尺度范围和跨度等的响应;其中磁致伸缩、电致伸缩响应及其应用、巨磁电阻材料、磁减振材料、超导材料等新材料的力学性能分析与应用开发、磁阻尼控制以及智能结构和微机电元器件、敏感元器件设计、为尽量提高表面声波频率以满足日益增长的移动通讯对扩大频道范围的需要而进行的对表面声波反射、与电磁场耦合作用二阶效应的研究等众多力学问题将随着研究工作的不断深入而不断为未来高新技术提供理论基础和依据;这类问题的理论研究所涉及的各向异性、非均匀、多重耦合和多重非线性极具挑战性.因此,电磁固体力学作为21世纪固体力学重点研究领域之一已成为共识.参 考 文 献[1] 周又和,郑晓静.电磁固体结构力学[M].北京:科学出版社,1999.[2] 周又和,郑晓静.磁弹性薄板屈曲的研究进展和存在的若干问题[J].力学进展,1995,30(4):525~536.[3] Zhou Y H,Zheng X J.A general exp ressi on of m agnetic fo rce fo r soft ferrom agnetic p lates in comp lexm agnetic fields[J].Int J Eng Sci,1997,35(15):1405~1417.[4] 周又和,郑晓静.铁磁体磁弹性相互作用的广义变分原理与理论模型[J].中国科学A辑,1999,29(1):61~68.[5] Zheng X J,Zhou Y H,W ang X Z.Bending and buck ling of ferrom agnetic rectangular p lates[J].A SCEJ Eng M ech,1999,125(2):180~185.[6] Zhou Y H ,M iya K .A theo retical p rediti on of natural frequcency of a ferrom agnetic p late w ith low sus 2cep tibility in in 2p lane m agnetic field [J ].A S M E J A pp lM ech ,1998,65(1):121~126.[7] Zheng X J ,Zhou Y H .M agnetoelastic bending and stability of current 2carrying co il structures [J ].A cta M echanica Sinica (English Editi on ),1997,13(3):253~263.[8] Zheng X J ,Zhou Y H ,L ee S J .Instability of superconducting partial to rus w ith tw o p in suppo rts [J ].A SCE J Eng M ech ,1999,125(2):174~179.[9] Zhou Y H ,M iya K .M echanical behavi o r of superconducting helical co ils in a fusi on reacto r [J ].Fusi onEngineering and D esign ,1998,38(3):283~293.[10] 郑晓静,武建军,周又和.周期变系数常微分方程动力系统稳定性分析的L iapunov 指数判据[J ].兰州大学学报(自然科学版),1999,35(2):17~20.[11] 武建军,郑晓静,周又和.二级磁浮列车控制系统动力特性的数值仿真[J ].非线性动力学报,1998,5(S I ):95~100.[12] Zhou Y H ,W ang J Z ,Zheng X J .A pp licati ons of w avelet Galerk in FE M to beinding of beam andp late structures [J ].A pp lM ath M ech ,1998,19(8):745~755.[13] 周又和,王记增.基于小波理论的悬臂板压电动力控制模型[J ].力学学报,1998,30(6):719~727.[14] 周又和,郑晓静.变温环境对压电圆板频率主动控制的影响[J ].力学学报,1998,30(1):58~64.[15] 黄宁,郑晓静,陈广庭,等.沙尘暴对无线电波传播影响的研究[J ].中国沙漠,1998,18(4):350~353.Coupl i ng Effects of M echan ics -M agnetis m -Electr ic ityon Electromagnetic Sol idsZ heng X iaoj ing(D epartm ent of M echanics ,L anzhou U niversity ,L anzhou ,730000,Ch ina )Abstract :A detail review is p resen ted in th is pap er on the recen t w o rk and resu lts given by the electrom agnetic so lid structu re m echan ical group of L anzhou U n iversity .T hese research 2es deal w ith estab lish ing and quan titatively so lving m echan ics 2m agnetis m coup ling m odels fo r ferrom agnetic elastic structu res ,si m u lating m agnetoelastic behavi o r of superconducting cu r 2ren t 2carrying m agnets ,investigating and si m u lating the stab ility of dynam ically con tro lled m aglev ,active con tro l on p iezoelectric in telligen t structu res and w avelet m ethod etc .Key words :electrom agnetic so lid m echan ics ;in telligen t structu res ;m aglev ;superconducting cu rren t 2carrying m agnet ;m agnetoelasticity 12第3期 郑晓静:电磁固体力—磁—电作用的耦合效应 。