مطالعه تجربی و تئوری تأثیر میدان مغناطیسی و تنش مکانیکی بر ضرایب ساختاری و رفتار مکانیکی-مغناطیسی ترفنل-دی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه رازی، کرمانشاه

چکیده

ترفنل-دی به عنوان یک ماده دگررسان مغناطیسی، به دلیل قابلیت اعمال نیرو و جابجایی بزرگ، کاربرد زیادی در انواع عملگرها دارد. یکی از محدودیت‌های اصلی ترفنل-دی، وابستگی ضرایب ساختاری آن از قبیل انطباق الاستیکی و دگررسانی مغناطیسی به تنش مکانیکی و شدت میدان مغناطیسی اعمالی است که پیش‌بینی رفتار عملگرها را دشوار می‌سازد. در مقاله حاضر، یک مدل تجربی-تحلیلی شامل تقریب‌های خطی جهت پیش‌بینی ضرایب ساختاری مذکور ارائه شده‌است. در ابتدا با استفاده از یک مجموعه آزمایشگاهی، نمودارهای غیر‌خطی تنش-کرنش ترفنل-دی در مقادیر مختلف میدان مغناطیسی به دست آمده‌اند و با تحلیل نتایج به دست‌آمده و نیز اعمال مدل خطی مغناطیسی-مکانیکی، ضرایب انطباق الاستیکی، دگررسانی مغناطیسی، تراوایی مغناطیسی و جفت‌شدگی محاسبه شده‌اند. سپس، تقریب‌های خطی ارائه شده‌اند که می‌توانند در هر شدت میدان مغناطیسی و تنها با در اختیار داشتن اطلاعات مربوط به سه مقدار تنش، ضرایب عملکردی ترفنل-دی را پیش‌بینی نمایند. محاسبه مقادیر تنش-کرنش با استفاده از تقریب‌های خطی مذکور و مقایسه با نتایج تجربی اولیه، نشان‌دهنده دقت قابل قبول مدل ارائه شده‌است. در انتها نیز مدل پیشنهادی در شرایط کاری جدید و به منظور پیش‌بینی رفتار مکانیکی-مغناطیسی ماده مورد استفاده قرار گرفته و صحت سنجی شده‌است. مقایسه نتایج حاصل با نتایج تجربی نشان‌دهنده دقت بسیار خوب مدل ارائه شده می‌باشد، به نحوی که بیشترین خطا در محاسبه کرنش و شار مغناطیسی به ترتیب 3% و 4/3% به دست آمده‌اند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Experimental and theoretical study on effects of magnetic field and mechanical stress on structural coefficients and magnetomechanical behavior of terfenol-D

نویسنده [English]

  • Soheil Talebian
Mechanical Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Terfenol-D as a magnetostrictive material is widely used in actuators because of its high force and displacement. One of the main limitations of Terfenol-D is dependency of its structural coefficients like elastic compliance and magnetostrictive coefficients to applied mechanical stress and magnetic field which makes it difficult to predict the actuator’s behavior. In the present paper, an analytical-experimental model is presented to predict the mentioned coefficients at different operating conditions. Initially, by using an experimental fabricated setup and tension test equipment, the nonlinear stress-strain behavior of the Terfenol-D actuator is studied at different conditions and by analyzing the obtained results and applying the linear magnetomechanical model, elastic compliance, magnetostrictive, magnetic permeability and magnetomaechanial coupling coefficients are calculated. Then, a model based on linear approximating relations is presented which can predict the coefficients at determined magnetic field intensity only by importing three values of stress. Calculating values of stress and strain by using the model and comparing the results to the experimental results shows acceptable precision of the model. Finally, the proposed model is applied to predict magnetomechanical behavior of Terfenol-D and being validated. Comparing the results to experimental ones shows capability of the model at predicting magnetomechanical behavior of Terfenol-D at different operational conditions, as the maximum errors of calculated strains and magnetic fluxes are 3% and 3.4%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Terfenol-D
  • Magnetostrictive actuator
  • Elastic compliance coefficient
  • Magnetostrictive coefficient

مراجع

[1] Rick Kellogg and Alison Flatau, Blocked force investigation of a Terfenol‌-D transducer, Proceedings of SPIE´s 6th Annual International Symposium on Smart Structure and Materials, Newport Beach, CA, United States, June 9-11, 1999.
[2] T. Honda, Y. Hayashi, M. Yamaguchi and K. I. Arai, Fabrication of thin-film actuators using magnetostriction, IEEE Translation Journal on Magnetism, Vol. 9, pp. 27-32, 1994 .
[3] B. Bhattocharya, Terfenol and Galfenol smart magnetostrictive metals for intelligent transducer, Journal of Indian Institute of Technology Kanpur, Vol. 7, pp. 33 – 41, 2005.
[4] A. Grunwakd and A. G. Olabi., Design of a Magnetostrictive (MS) actuator, Journal of Sensors and Actuators: A Physical, Vol. 144, pp. 161-175, 2008.
[5] A. G. Olabi and A. Grunwald, Design and application of magnetostrictive materials, Journal of Materials & Design, Vol. 29, Issue 2, pp. 469-483, 2008.
[6] F. Claeyssen, N. Lhermet and T. Maillard, Magnetostrictive actuators compared to piezoelectric actuators, Proceedings of SPIE 4763, European Workshop on Smart Structures in Engineering and Technology, Giens, France, March 13-15, 2003.
[7] Ken-ichi Yamamoto, Hironobu Nakano and Yasumasa Yamashiro, Effect of compressive stress on hysteresis loss of Terfenol-D, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 254, pp. 222–224, 2003.
[8] M. Goodfriend and K. Shoop, Adaptive characteristics of the magnetostrictive alloy, Terfenol-D, for active vibration control, Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, Vol. 3, pp. 245–54, 1992.
[9] S. Karunanidhi, M. Singaperumal, Design, analysis and simulation of magnetostrictive actuator and its application to high dynamic servo valve, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 157, Issue 2, pp. 185-197, 2010.
[10] Mojtaba Ghodsi, Nasser Hosseinzadeh, Abdullah Özer, Hamid Rajabzadeh Dizaj, Nader Garjasi Varzeghani, Development of Gasoline Direct Injector Using Giant Magnetostrictive Materials, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 53, Issue 1, pp. 521-529, 2017.
[11] Le Sun, Xiaojing Zheng, Numerical simulation on coupling behavior of Terfenol-D rods, International Journal of Solids and Structures, 43, Issue 6,  pp. 1613-1623, 2006.
[12] M. J. Dapino, A. B. Flatau, F. T. Calkins, Statistical Analysis of Terfenol-D Material Properties, Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, Vol. 17, Issue 7, pp. 587-599, 2006.
[13] Da-Guang Zhang, Meng-Han Li, and Hao-Miao Zhoua, A general one-dimension nonlinear magneto-elastic coupled constitutive model for magnetostrictive materials, AIP Advances , Vol. 5, Issue 10, 2015.
[14] O. Bottauscio, M. Chiampi, A. Lovisolo, P. E. Roccato, and M. Zucca , Dynamic modeling and experimental analysis of Terfenol-D rods for magnetostrictive actuators, Journal of Applied Physics, Vol. 103, Issue 7, 2008.
[15] M. Domenjoud, E. Berthelot, N. Galopin, R. Corcolle, Y. Bernard and L. Daniel, Characterization of giant magnetostrictive materials under static stress: influence of loading boundary conditions, Smart Materials and Structures, Vol. 28, No. 9, 2019.
[16] Laurent Daniel and Mathieu Domenjoud, Anhysteretic Magneto-Elastic Behavior of Terfenol-D: Experiments, Multiscale Modelling and Analytical Formulas, Materials (Basel), 4, No. 18, 2021.
[17] Zhan Y.S and Lin C.H., A constitutive model of coupled magneto-thermo-mechanical hysteresis behavior for Giant Magnetostrictive Materials.Mechanics of  ,  Vol. 148, 2020.
[18] Pengpeng Shi, A Nonlinear Theoretical Model of Magnetization and Magnetostriction for Ferromagnetic Materials under Applied Stress and Magnetic Fields, Chinese Physics Letters, Vol. 37, No. 8, 2020.
[19] G. Engdahl, Handbook of Giant Magnetostrictive Materials, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2000.
مهندسی ساخت و تولید ایران
دوره 9، شماره 1
فروردین 1401
صفحه 19-30

فایل ها

اشتراک گذاری

ارجاع به این مقاله

آمار