مطالعه تجربي و تئوري تاثير ميدان مغناطيسي و تنش مكانيكي بر ضرايب ساختاري و رفتار مكانيكي-مغناطيسي ترفنل-دي

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

ترفنل-دي به عنوان يك ماده دگررسان مغناطيسي، به دليل قابليت اعمال نيرو و جابجايي بزرگ، كاربرد زيادي در انواع عملگرها دارد. يكي از محدوديت‌هاي اصلي ترفنل-دي، وابستگي ضرايب ساختاري آن از قبيل انطباق الاستيكي و دگررساني مغناطيسي به تنش مكانيكي و شدت ميدان مغناطيسي اعمالي است كه پيش‌بيني رفتار عملگرها را دشوار مي‌سازد. در مقاله حاضر، يك مدل تجربي-تحليلي شامل تقريب‌هاي خطي جهت پيش‌بيني ضرايب ساختاري مذكور ارائه شده‌است. در ابتدا با استفاده از يك مجموعه آزمايشگاهي، نمودارهاي غير‌خطي تنش-كرنش ترفنل-دي در مقادير مختلف ميدان مغناطيسي به دست آمده‌اند و با تحليل نتايج به دست‌آمده و نيز اعمال مدل خطي مغناطيسي-مكانيكي، ضرايب انطباق الاستيكي، دگررساني مغناطيسي، تراوايي مغناطيسي و جفت‌شدگي محاسبه شده‌اند. سپس، تقريب‌هاي خطي ارائه شده‌اند كه مي‌توانند در هر شدت ميدان مغناطيسي و تنها با در اختيار داشتن اطلاعات مربوط به سه مقدار تنش، ضرايب عملكردي ترفنل-دي را پيش‌بيني نمايند. محاسبه مقادير تنش-كرنش با استفاده از تقريب‌هاي خطي مذكور و مقايسه با نتايج تجربي اوليه، نشان‌دهنده دقت قابل قبول مدل ارائه شده‌است. در انتها نيز مدل پيشنهادي در شرايط كاري جديد و به منظور پيش‌بيني رفتار مكانيكي-مغناطيسي ماده مورد استفاده قرار گرفته و صحت سنجي شده‌است. مقايسه نتايج حاصل با نتايج تجربي نشان‌دهنده دقت بسيار خوب مدل ارائه شده مي‌باشد، به نحوي كه بيشترين خطا در محاسبه كرنش و شار مغناطيسي به ترتيب 3% و 3/4% به دست آمده‌اند.

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.