[發(fā)明專利]單晶Ni-Mn-Ga合金磁力學(xué)行為的數(shù)值預(yù)測方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010410900.9
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111723463A
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王炯;黃慶洋
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14;G06F113/26
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 黃國亮

本發(fā)明公開了一種單晶Ni?Mn?Ga合金磁力學(xué)行為的數(shù)值預(yù)測方法及系統(tǒng)，其中方法包括以下步驟：建立描述單晶Ni?Mn?Ga樣品的磁力學(xué)行為的控制方程組，所述控制方程組包含磁場場方程、應(yīng)力平衡方程、內(nèi)部變量發(fā)展方程以及孿晶界面演化準(zhǔn)則；設(shè)計耦合有限元?邊界元數(shù)值迭代方法求解所述控制方程組；基于求解后的所述控制方程組對單晶Ni?Mn?Ga合金磁力學(xué)行為的數(shù)值進(jìn)行預(yù)測。本發(fā)明采用耦合有限元?邊界元數(shù)值方法，用有限元法模擬樣品區(qū)域的非線性響應(yīng)，用邊界元法模擬樣品表面出磁通量的分布，可以顯著減少單元總數(shù)，提高計算效率，可廣泛應(yīng)用于新型智能金屬材料多場耦合力學(xué)行為的計算仿真技術(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新型智能金屬材料多場耦合力學(xué)行為的計算仿真技術(shù)，尤其涉及一種單晶Ni-Mn-Ga合金磁力學(xué)行為的數(shù)值預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

單晶Ni-Mn-Ga合金是一種典型的磁性形狀記憶合金。在外部磁場或外力載荷的作用下，單晶Ni-Mn-Ga合金的應(yīng)變可達(dá)6％-10％。在適當(dāng)?shù)募虞d條件下，單晶Ni-Mn-Ga合金中發(fā)生的應(yīng)變還是可逆的，且材料的響應(yīng)頻率可以超過1kHz。由于其獨特的材料特性，單晶Ni-Mn-Ga合金已被廣泛認(rèn)為是制造新一代驅(qū)動器與傳感器的理想材料，在機(jī)械、醫(yī)學(xué)、航空等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近二十年來，單晶Ni-Mn-Ga合金獨特的材料性能已引起了材料、力學(xué)、自動控制等領(lǐng)域廣泛的研究興趣。在微觀尺度上，人們對單晶Ni-Mn-Ga合金的晶格結(jié)構(gòu)和磁疇區(qū)域分布進(jìn)行了深入研究。研究表明，單晶Ni-Mn-Ga合金在磁場或外力作用下所發(fā)生變形的內(nèi)在機(jī)理是材料內(nèi)部的馬氏體變體再取向，而變體再取向是通過孿晶界面在樣品內(nèi)部的成核和遷移來實現(xiàn)的。為了深入了解單晶Ni-Mn-Ga合金的磁力學(xué)性能，從而為其在工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，研究人員也已開展了大量的實驗研究，并建立了不同類型的理論模型。但是，目前這一方面的研究還存在著很多不足。特別是在單晶Ni-Mn-Ga樣品磁力學(xué)行為的理論建模方面，現(xiàn)有的理論模型大多基于局部化的觀點進(jìn)行建立，無法考慮樣品的構(gòu)型、尺寸和邊界約束等重要因素對其磁力學(xué)響應(yīng)的影響。事實上，為了描述單晶Ni-Mn-Ga樣品的整體磁力學(xué)行為，需考慮樣品所滿足的磁場場方程、應(yīng)力平衡方程、內(nèi)部變量的發(fā)展方程、以及孿晶界面的演化準(zhǔn)則，從而構(gòu)建完整的理論模型控制方程組。通常，描述單晶Ni-Mn-Ga樣品整體磁力學(xué)行為的控制方程組是一個復(fù)雜的非線性多場耦合方程組，且其中包含了不同性質(zhì)的變量和不同形式的方程(或不等式)。即使采用數(shù)值方法，對這一方程組的求解也具有很大的難度。目前，在針對單晶Ni-Mn-Ga樣品整體磁力學(xué)行為的數(shù)值仿真方面，文獻(xiàn)中現(xiàn)有的研究成果還較為少見。

在數(shù)值仿真的計算中，目前采用得最為廣泛的方法是有限元法。但是，針對單晶Ni-Mn-Ga樣品，采用有限元法對其磁力學(xué)行為進(jìn)行仿真卻面臨著一個難題。這是由于在外部磁場作用下，單晶Ni-Mn-Ga樣品將會被磁化，從而在樣品內(nèi)部和周圍空間中激發(fā)退磁場的分布。為了確定退磁場對樣品響應(yīng)的影響，需同時考慮樣品區(qū)域和周圍空間。為了保證數(shù)值計算的精度，周圍空間的尺寸通常應(yīng)為樣品尺寸的5-10倍。這使得在有限元離散化后，周圍空間會產(chǎn)生大量的單元。操作這些單元需要大量的存儲和計算開銷。此外，伴隨著樣品的變形(變體再取向)，還需要對周圍空間的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，使得有限元模擬更加繁瑣復(fù)雜。

名詞解釋：

磁力學(xué)行為：即是指單晶Ni-Mn-Ga合金在外部磁場或外力載荷作用下(磁場與外力可以同時作用)所發(fā)生的變形、磁化、馬氏體變體再取向等力學(xué)或物理響應(yīng)。

弱形式：即微分方程的加權(quán)積分形式，其中微分從因變量轉(zhuǎn)移到權(quán)函數(shù)，使得問題的所有自然邊界條件也包含在積分形式中。弱形式離散化后可用于后續(xù)的有限元計算。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明的目的是提供一種單晶Ni-Mn-Ga合金磁力學(xué)行為的數(shù)值預(yù)測方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：