一种电磁材料层状壳体电磁弹耦合仿真模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种电磁材料层状壳体电磁弹耦合仿真模拟方法，利用Hamilton扩展原则建立含电-磁-弹耦合效应的三维能量方程；基于变分渐近法将三维能量渐近扩展为系列二维递归能量，并利用壳体固有的小参数渐近修正二维递归能量中主导变分项，从而得到与原三维能量尽可能接近的修正模型，并转换为工程常用的Reissner-Mindlin模型形式；基于得到的二维全局响应和各阶翘曲函数推导了三维场变量重构关系。该模型不需先验性假设，可准确预测多场作用下结构的电磁弹耦合性能，计算量小，计算效率高于高阶层合理论和三维有限元解，占用计算机资源少。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了，利用Hamilton扩展原则建立含电-磁-弹耦合效应的三维能量方程；基于变分渐近法将三维能量渐近扩展为系列二维递归能量，并利用壳体固有的小参数渐近修正二维递归能量中主导变分项，从而得到与原三维能量尽可能接近的修正模型，并转换为工程常用的Reissner-Mindlin模型形式；基于得到的二维全局响应和各阶翘曲函数推导了三维场变量重构关系。该模型不需先验性假设，可准确预测多场作用下结构的电磁弹耦合性能，计算量小，计算效率高于高阶层合理论和三维有限元解，占用计算机资源少。【专利说明】
本专利技术涉及材料力学性能分析领域，具体涉及一种基于变分渐近法的电磁材料层状壳体电磁弹耦合性能的仿真模型，能有效预测多场作用下结构的电-磁-弹耦合性能。
技术介绍
由压电相和压磁相组成的智能复合材料会产生单相压电及压磁材料所没有的磁电耦合效应。利用此特性，可改进压电与压磁单相材料的小频宽、小致动的缺点，因此广泛应用于航空、汽车、电子、土木、医学等领域。Van Suchtelen于1972年提出了压电、压磁的结合会产生新的材料特性即磁电耦合效应。20世纪90年代中期，Nan、Huang和Kuo从理论上提出了压电、压磁材料的细观力学模型来估算其耦合效应。Benveniste利用均匀场的概念得到了纤维状压电、压磁弹性体耦合效应中的不同部分之间的精确关系。20世纪90年代末期，Li进一步发展了细观力学来研究对于非均匀的耦合介质在静力场、电场、磁场之间同样存在着耦合，同时得到了无限压电、压磁弹性体的双圆柱夹杂和各向异性体问题的解。Wu和Huang研究出压电、压磁复合材料磁电耦合效应的封闭解。在国内，对于压电、压磁复合材料研究的起步较晚，2001年，刘金喜等研究了压电、压磁材料二维问题Green函数的重要特性。2003年，王建国等研究了横观各向同性无限压电、压磁的状态变量解。2006年，姚伟岸等研究了电磁弹性固体的边界元方法；同年，周振功等研究了电磁复合材料的裂纹对弹性波的散射问题。由上述分析可知，对于电磁材料所组成的智能结构分析中，需要有数学、力学、电学和电磁学等多学科的知识，并且由于电、磁和弹性介质间耦合的复杂性，对问题求解带来了很大的困难，虽然已有了一些有益的工作，但仍有许多方面需进一步完善。如现有文献大多数在简化模型中假设线性或者高阶的位移和电、磁势分布，忽略或部分忽略了局部变形的非均匀性，因而不能反映电磁器件与结构结合部的局部应力和局部电、磁场。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供一种计算量小，占用计算机资源少，且效率高的基于渐近变分法电磁材料层状壳体电磁弹耦合性能仿真模拟方法。为解决上述技术问题，实现专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下:，包括以下步骤:I)基于Hami Iton原则和旋转张量分解概念建立电磁材料层状壳体中含电-磁-弹耦合效应的三维能量方程；2)基于渐近变分法将三维能量方程降维分析得到二维能量泛函，并利用电磁材料层状壳体中固有的小参数渐近修正二维能量泛函中含翘曲项的主导变分项，得到修正模型，将修正模型转换为Reissner-Mindlin模型形式；3)基于推导的三维场重构关系,利用Reissner-Mindlin模型分析得到的二维壳面的全局响应和降维分析得到的翘曲函数重构场变量沿厚度方向分布，由本构关系重构三维应力、电位移、磁感应势；对电磁材料层状壳体电磁弹耦合进行仿真模拟。进一步,所述步骤I具体为:基于Hamilton原则和旋转张量分解概念建立电磁材料层状壳体中含电-磁-弹耦合效应的三维能量方程:【权利要求】1.，其特征在于，包括以下步骤: 1)基于Hamilton原则和旋转张量分解概念建立电磁材料层状壳体中含电-磁-弹率禹合效应的三维能量方程； 2)基于渐近变分法将三维能量方程降维分析得到二维能量泛函，并利用电磁材料层状壳体中固有的小参数渐近修正二维能量泛函中含翘曲项的主导变分项，得到修正模型，并将其转换为Reissner-Mindlin模型形式； 3)基于推导的三维场重构关系，利用Reissner-Mindlin模型分析得到的二维壳面的全局响应和降维分析得到的翘曲函数重构场变量沿厚度方向分布，由本构关系重构三维应力、电位移、磁感应势，对电磁材料层状壳体电磁弹耦合进行仿真模拟。2.如权利要求1所述的电磁材料层状壳体电磁弹耦合仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤I具体为:基于Hamilton原则和旋转张量分解概念建立电磁材料层状壳体中含电-磁-弹耦合效应的三维能量方程:3.如权利要求1所述的电磁材料层状壳体电磁弹耦合仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤2具体为:基于渐近变分法将三维能量降维分析得到二维能量泛函:利用电磁材料层状壳体中固有的小参数渐近修正二维能量泛函中含翘曲项的主导变分项，得到零阶和一阶渐近修正模型: 4.如权利要求1所述的电磁材料层状壳体电磁弹耦合仿真模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体为:基于推导的三维场重构关系，利用Reissner-Mindlin模型分析得到的二维壳面的全局响应和降维分析得到的翘曲函数重构场变量沿厚度方向分布: 【文档编号】G06F17/50GK103886165SQ201410150353【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日 【专利技术者】钟轶峰, 周小平, 张亮亮, 杨文文, 刘国天, 矫立超 申请人:重庆大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁材料层状壳体电磁弹耦合仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：1）基于Hamilton原则和旋转张量分解概念建立电磁材料层状壳体中含电‑磁‑弹耦合效应的三维能量方程；2）基于渐近变分法将三维能量方程降维分析得到二维能量泛函，并利用电磁材料层状壳体中固有的小参数渐近修正二维能量泛函中含翘曲项的主导变分项，得到修正模型，并将其转换为Reissner‑Mindlin模型形式；3）基于推导的三维场重构关系，利用Reissner‑Mindlin模型分析得到的二维壳面的全局响应和降维分析得到的翘曲函数重构场变量沿厚度方向分布，由本构关系重构三维应力、电位移、磁感应势，对电磁材料层状壳体电磁弹耦合进行仿真模拟。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钟轶峰，周小平，张亮亮，杨文文，刘国天，矫立超，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85