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

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 3.4% به دست آمده‌اند.

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

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.