基于ANSYS层状磁电耦合器件谐响应分析

真， 并 制 作 了 相 应 器 件 验 证 。实 验 结 果 表 明 ， 谐 振 频 率 的仿 真 结 果 与 实 际 测 试 数 据 误 差 在 ６ 以 内， Ｌ — Ｔ与 ｕ ｎ ｉ ｍｏ ｒ — ｐ ｈ最 大 磁 电耦 合 系 数 比值 的仿 真 结 果 与 理 论 计 算 和 测 试 结 果 误 差 为 分 别 为 ５ ． ５ 和 １ １ ． ２ ７ 。 关键词 ： ＡＮ Ｓ ＹＳ ； 磁 电耦 合 ； Ｌ — Ｔ； ｕ ｎ ｉ ｍｏ ｒ ｐ ｈ
２ ０ １ ７年 ６月

广 西 师 范 学 院学 报 （ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇｕ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ Ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｒ ｓ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｓｉ ｒ ｔ ｙ ： Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
此， 笔 者 在 已有 的模拟 仿真 的基 础 上 ， 利 用 有 限 元 软 件 ＡＮＳ ＹＳ １ ２ ． ０ ， 系 统 地 对 两种 体 系进 行 了谐 响 应
分析 ， 并 制作 了相 应 的样 品进 行 比对 。实验 结果 表 明 ， 模 拟 结 果 与测 试 数 据符 合 得 很 好 ， 这 为设 计 新 型
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ７ — ０ ３ — １ ６
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基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 项 目（ 批准号 ： ２ １ ４ ６ ５ ０ Ｏ ４ ）
磁 电复合 的磁 电 系数提 供 了非 常便 利 的手段 。随着计 算 机 技术 的进 步 ， 使得 利 用 有 限 元技 术 来 计 算 磁 电复合 材 料 的磁 电系数 变成 了可能 。有 学者 利 用 计算 机 对 ２ － ２型 磁 电材 料 进 行 仿 真建 模 ， 预测 其 磁 电
性能 ， 并得 到 了 比较 好 的效 果 。这为 层状 磁 电器件 设计 和开发 ， 提 供 了极 大 便利 。 对 层 状磁 电 复合材 料来 说 ， 常见 的 ２ — ２型体 系 有 ｕ ｎ ｉ ｍｏ ｒ ｐ ｈ和 Ｉ 一 Ｔ 模 式¨ ８ ］ ， 即单层 粘 接 和上 下 面 粘 接， 如 图 １所示 。近些 年 ， 许 多研 究 者从 实验 、 理 论 和仿 真等方 面 对这 两种 体 系做 了大量 研究 ， 取 得 了很 大进 步嘲． ｒ ９ 。然而 ， 以往 的仿 真研 究 大多集 中于准静 态或其 中一种模 式 ¨ ］ ， 鲜 有针 对磁 电材料 进行 谐 振 分析 的仿 真 报道 。另 外 ， 大多仿 真 停 留在模 拟层 面 ， 实验 验证 有 所 欠 缺 ， 需 要 进 步一 研 究 验 证 。 因
磁 电器件 ， 特 别是 基 于磁 电材 料 的频 移 器 ， 提 供 了非 常便 利 的手段 。
１ Ｌ — Ｔ和 ｕ ｎ ｉ ｍｏ ｒ ｐ ｈ模 式 的磁 电耦 合 系数
压 电材 料 和压磁 材料 的本构 方程 ＿ 】 分 别 为 ： ｓ ｌ —ｓ ｆ ｌ Ｔ１ ＋ Ｅ ３ Ｓ ３ 一Ｓ 是 Ｔ３ ＋ ｇ ３ ３ Ｈ ３
（ 广西 民族 师 范学 院 物理 与 电子 工程 学 院 ， 广 西 崇左 ５ ３ ２ ２ ０ ０ ）
摘 要 ： 利 用 有 限 元 软 件 ＡＮＳ ＹＳ １ ２ ． Ｏ对 ｕ ｎ ｉ ｍｏ ｒ ｐ ｈ和 Ｔ 两 种 常 见 的 ２ — ２型 结 构 磁 电 复 合 材 料 进 行 了模 拟 仿
电场强 度 ， 电位 移 和磁感 应 强度 ， ｓ 、 ｓ 分别 为 压 电材 料 和 磁 致 伸 缩 材 料 的 柔顺 系数 ， ｄ 、 ｇ 、 ｅ 。 。 和
。。
分 别 为压 电系数 、 压 磁 系数 、 介 电常数 和磁 导率 。
假设 Ｉ 一 Ｔ结构 磁 电器件 的压 电相与 磁 电相 之 间无 相 对 移 动 ， 且 应力 耦 合 为 理 想 状 态 ， 即应 力 传 递
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ７
Ｖｏ１ ． ３ ４ ＮＯ． ２
第 ３ ４卷 第 ２期
文章编 号 ： １ ０ ０ １ — ８ ７ ４ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ２ — ０ ０ ６ ０ — ０ ６
基 于 ＡＮ Ｓ ＹＳ层 状 磁 电耦 合 器 件 谐 响 应 分 析
余小英 ， 房 慧
中 图分 类号 ： Ｔ Ｍ２ ７ 文献 标 识 码 ： Ａ
磁 电材 料 ＿ １ 。 因其 在新 型存 储 器和 高精 度传 感器 ［ ４ 方 面 的潜在 应用 ， 得 到 了越来 越多 的 研究 。磁 电 耦 合效 应 最早 在 ｃ ｒ 。 ｏ。 ［ ５ ］ 中发现 ， 随后在其 他 单 相磁 电材 料 中也发 现 了磁 电耦 合 效 应 。但 单 相 磁 电材
料 的磁 电耦 合 系数 很小 ， 且 居里 温度 很低 ， 难 以满 足 实 际应 用 。随 着 多相 磁 电耦 合材 料 的出 现 ， 磁 电耦
合 系数 得 到 了极 大 提高 。其 中 ， 通 过 胶水 粘接 制成 的 ２ — ２型层 状 磁 电复 合材 料 ， 因其 磁 电耦 合 系数 大 、
制 作 简便 ， 且两 相 之 间无 化 学反 应 ， 得到 了广 泛研 究 ， 部 分 体 系 已应 用 于生 产实 际 中。与 此 同时 ， 层 状磁
电复合 材料 的数 值 计算 和仿 真 的发展 也 非常 迅 速ｌ ６ ］ 。Ｄ ｏ ｎ ｇ等［ ２ 推 导 的等 效 电 路 ， 为磁 电复 合 材 料 的
Ｂ ３＝ ｇ ３ ３ ｍＴ ３ 卅＋ ３ ３ Ｈ ３ Ｄ ３一 ｄ ３ １ ｐ Ｔｌ ＋ ￡ ３ ３ Ｅ ３
其中 Ｔ 、 Ｓ 。和 Ｔ。 、 Ｓ。 分别 为磁 致伸 缩相 和 压 电相 的应力 ， 应变 ， Ｈ。 、 Ｅ。 、 Ｄ。和 Ｂ。 分 别 为磁 场 强度 、