一种磁畴偏转模型建立方法及装置

摘要

本发明实施例公开了一种磁畴偏转模型建立方法及装置，用于解决原有的磁畴角度偏转模型能够较好描述载荷作用下材料的磁化特性，但模型对外在宏观特性的描述简单，求解过程复杂，且模型需要进行参数修正的技术问题。本发明实施例的一种磁畴偏转模型建立方法包括：S1：在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；S2：通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；S3：对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；S4：将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

权利要求

1.一种磁畴偏转模型建立方法，其特征在于，包括：

S1：在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式，其中，预定的自由能公式为：其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率；

S2：通过预定的自由能公式获取磁化能公式、磁晶各向异性能公式、应力各向异性能公式，通过所述磁化能公式、所述磁晶各向异性能公式、所述应力各向异性能公式，获取预定的磁化强度矢量 方向上的磁化强度公式：其中，σ为预定的应力；H为预定的磁场； 为预定的磁化强度矢量； 为磁化方向；Efield为磁化能；Ean为磁晶各向异性能；Eσ为应力各向异性能；K为归一化常数；ω为电位分布参数；

S3：对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

S4：将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

2.根据权利要求1所述的磁畴偏转模型建立方法，其特征在于，预定的磁化密度增量公式为：其中，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量。

3.根据权利要求2所述的磁畴偏转模型建立方法，其特征在于，磁化密度等于磁化强度与相对磁导率的乘积。

4.一种磁畴偏转模型建立装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；

其中，预定的自由能公式为：

其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率；

第二获取单元，用于通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；

所述第二获取单元具体包括：

获取子单元，具体用于通过预定的自由能公式获取磁化能公式、磁晶各向异性能公式、应力各向异性能公式，通过所述磁化能公式、所述磁晶各向异性能公式、所述应力各向异性能公式，获取预定的磁化强度矢量 方向上的磁化强度公式：其中，σ为预定的应力；H为预定的磁场； 为预定的磁化强度矢量； 为磁化方向；Efield为磁化能；Ean为磁晶各向异性能；Eσ为应力各向异性能；K为归一化常数；ω为电位分布参数；

偏导单元，用于对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

第三获取单元，用于将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

5.根据权利要求4所述的磁畴偏转模型建立装置，其特征在于，预定的磁化密度增量公式为：其中，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量。

6.根据权利要求5所述的磁畴偏转模型建立装置，其特征在于，磁化密度等于磁化强度与相对磁导率的乘积。

说明书

一种磁畴偏转模型建立方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及磁畴角度偏转模型领域，尤其涉及一种磁畴偏转模型建立方法及装置。

背景技术

[0002] 超磁致伸缩材料具有复杂的机磁参数耦合特性，应力和磁场载荷作用下超磁致伸缩材料的机磁耦合特性可通过磁畴角度的偏转来进行研究。取超磁致伸缩材料内一单畴颗粒作为磁畴偏转模型(S-W模型)的研究对象。

[0003] 应力和磁场载荷的作用将使得单畴颗粒内磁化强度M发生角度的偏转，进而影响超磁致伸缩材料的磁化特性。通过材料内单畴颗粒自由能非线性方程组极值问题的求解，可研究超磁致伸缩材料内磁畴角度偏转的规律，进而描述材料的磁化及机磁耦合特性。

发明内容

[0004] 本发明实施例提供了一种磁畴偏转模型建立方法及装置，解决了原有的磁畴角度偏转模型能够较好描述载荷作用下材料的磁化特性，但模型对外在宏观特性的描述简单，求解过程复杂，且模型需要进行参数修正的技术问题。

[0005] 本发明实施例提供的一种磁畴偏转模型建立方法，包括：

[0006] S1：在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；

[0007] S2：通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；

[0008] S3：对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

[0009] S4：将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

[0010] 优选地，预定的自由能公式为：

[0011]

[0012]

[0013] 其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率。

[0014] 优选地，所述步骤S2具体包括：

[0015] 通过预定的自由能公式获取磁化能公式、磁晶各向异性能公式、应力各向异性能公式，通过所述磁化能公式、所述磁晶各向异性能公式、所述应力各向异性能公式，获取预定的磁化强度矢量 方向上的磁化强度公式：

[0016]

[0017] 其中，σ为预定的应力；H为预定的磁场； 为预定的磁化强度矢量； 为磁化方向；Efield为磁化能；Ean为磁晶各向异性能；Eσ为应力各向异性能；K为归一化常数；ω为电位分布参数。

[0018] 优选地，预定的磁化密度增量公式为：

[0019]

[0020] 其中，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量。

[0021] 优选地，磁化密度等于磁化强度与相对磁导率的乘积。

[0022] 本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立装置，包括：

[0023] 第一获取单元，用于在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；

[0024] 第二获取单元，用于通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；

[0025] 偏导单元，用于对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

[0026] 第三获取单元，用于将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

[0027] 优选地，预定的自由能公式为：

[0028]

[0029] 其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率。

[0030] 优选地，所述第二获取单元具体包括：

[0031] 获取子单元，具体用于通过预定的自由能公式获取磁化能公式、磁晶各向异性能公式、应力各向异性能公式，通过所述磁化能公式、所述磁晶各向异性能公式、所述应力各向异性能公式，获取预定的磁化强度矢量 方向上的磁化强度公式：

[0032]

[0033] 其中，σ为预定的应力；H为预定的磁场； 为预定的磁化强度矢量； 为磁化方向；Efield为磁化能；Ean为磁晶各向异性能；Eσ为应力各向异性能；K为归一化常数；ω为电位分布参数。

[0034] 优选地，预定的磁化密度增量公式为：

[0035]

[0036] 其中，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量。

[0037] 优选地，磁化密度等于磁化强度与相对磁导率的乘积。

[0038] 从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

[0039] 本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立方法及装置，其中，一种磁畴偏转模型建立方法包括：S1：在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；S2：通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；S3：对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；S4：将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。本实施例中，通过材料内单畴颗粒自由能非线性方程组极值问题的求解，简化求解过程，对外在宏观特性进行描述，解决了原有的磁畴角度偏转模型能够较好描述载荷作用下材料的磁化特性，但模型对外在宏观特性的描述简单，求解过程复杂，且模型需要进行参数修正的技术问题。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0041] 图1本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立方法的一个实施例的流程示意图；

[0042] 图2本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立装置的一个实施例的结构示意图；

[0043] 图3本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立装置的另一个实施例的结构示意图；

[0044] 图4本发明实施例中提供的一种单轴机械应力下的磁化曲线示意图；

[0045] 图5本发明实施例中提供的一种磁场偏微分d1的计算结果示意图；

[0046] 图6本发明实施例中提供的一种磁场偏微分d1的二维云图结果示意图；

[0047] 图7本发明实施例中提供的一种压应力偏微分d2的计算结果示意图；

[0048] 图8本发明实施例中提供的一种压应力偏微分d2的二维云图结果示意图；

[0049] 图9本发明实施例中提供的一种磁密变化量的计算结果示意图；

[0050] 图10本发明实施例中提供的一种磁密变化量的计算二维云图结果示意图；

[0051] 图11本发明实施例中提供的一种横坐标是磁场增量与应力增量的比值，纵坐标是应力增量的磁场强度变化量示意图。

具体实施方式

[0052] 本发明实施例提供了一种磁畴偏转模型建立方法及装置，用于解决原有的磁畴角度偏转模型能够较好描述载荷作用下材料的磁化特性，但模型对外在宏观特性的描述简单，求解过程复杂，且模型需要进行参数修正的技术问题。

[0053] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0054] 请参阅图1，本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立方法的一个实施例包括：

[0055] 101、在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；

[0056] 102、通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；

[0057] 103、对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

[0058] 104、将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

[0059] 上面是对一种磁畴偏转模型建立方法进行详细的描述，下面将对一种磁畴偏转模型建立方法的过程进行详细的描述，本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立方法的另一个实施例包括：

[0060] 201、在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式，预定的自由能公式为：

[0061]

[0062] 其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率；

[0063] 超磁致伸缩材料具有复杂的机磁参数耦合特性，应力和磁场载荷作用下超磁致伸缩材料的机磁耦合特性可通过磁畴角度的偏转来进行研究。取超磁致伸缩材料内一单畴颗粒作为磁畴偏转模型(S-W模型)的研究对象。应力和磁场载荷的作用将使得单畴颗粒内磁化强度M发生角度的偏转，进而影响超磁致伸缩材料的磁化特性。通过材料内单畴颗粒自由能非线性方程组极值问题的求解，可研究超磁致伸缩材料内磁畴角度偏转的规律，进而描述材料的磁化及机磁耦合特性。在外在载荷(应力σ和磁场H)作用下，考虑各向异性的影响，单畴颗粒的自由能可表示为：

[0064]

[0065]

[0066] 公式(1)中，其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率，μ0＝4Ω×10-7H/m；

[0067] E为磁化能，磁晶各向异性能，应力各向异性能的总和。

[0068] 磁化能等于磁场的强度H，饱和磁化强度Ms以及磁化和施加的磁场矢量之间的角度的乘积，磁化能的公式为：

[0069]

[0070] 磁晶各向异性能是当磁化旋转离开晶体内部的硬方向时释放的每单位体积的能量，其中K1和K2是立方晶磁各向异性常数，磁晶各向异性能的公式为：

[0071]

[0072] 应力各向异性能由所施加的应力张量σ与磁致伸缩应变张量的相互作用产生，其中λ100和λ111为磁致伸缩参数，应力各向异性能的公式为：

[0073]

[0074] 202、通过预定的自由能公式获取磁化能公式、磁晶各向异性能公式、应力各向异性能公式，通过所述磁化能公式、所述磁晶各向异性能公式、所述应力各向异性能公式，获取预定的磁化强度矢量 方向上的磁化强度公式：

[0075]

[0076] 其中，σ为预定的应力；H为预定的磁场； 为预定的磁化强度矢量； 为磁化方向；Efield为磁化能；Ean为磁晶各向异性能；Eσ为应力各向异性能；K为归一化常数；ω为电位分布参数；

[0077] 方向 上的叠加磁化M可以通过对来自所有可能的磁化取向的该方向上的磁化贡献进行叠加而获得:

[0078]

[0079]

[0080] K归一化常数是对于任何非负函数的任意区间所含有之常数使得该函数对于一特定区间之积分恰好等于1，得到图4单轴机械应力下的磁化曲线，其中横坐标为磁场H，纵坐标为磁化强度M，每条曲线代表不同应力作用下的磁化曲线。

[0081] 203、对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

[0082] 对磁化强度求偏导得到图5，6，7，8。

[0083]

[0084] 其中B为磁化密度，其与磁化强度M的关系为：B＝μ0·M，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量，磁场偏微分d1结果(单位1kA/m下结果)：如图5，图6为磁场偏微分d1的二维云图结果，其中横坐标为磁场H，纵坐标为应力，压应力偏微分d2结果(单位1MPa下结果)：如图7，图8为压应力偏微分d2的二维云图结果，横坐标为磁场H，纵坐标为应力σ。

[0085] 204、将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果，预定的磁化密度增量公式为：

[0086]

[0087] 其中，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量，磁化密度等于磁化强度与相对磁导率的乘积。

[0088]

[0089] B为磁化密度，其与磁化强度M的关系为：B＝μ0·M，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量，磁场偏微分d1结果(单位1kA/m下结果)：如图5，图6为磁场偏微分d1的二维云图结果，其中横坐标为磁场H，纵坐标为应力，压应力偏微分d2结果(单位1MPa下结果)：如图7，图8为压应力偏微分d2的二维云图结果，其中横坐标为磁场H，纵坐标为应力σ，将求得的偏导函数代入公式8中:

[0090]

[0091] 由于应力和磁场单独作用下产生的能量需达到1：1，即Δb1:Δb2＝1:1。根据人类步行产生应力Δσ取值为-10MPa。可推出ΔH在(2.8～12.5km/A)范围内取值。首先拟取一个初值ΔH＝8.8km/A，代入公式8中。计算得到图9，10，磁密变化量的计算结果：如图9，图10为磁密变化量的计算二维云图结果，其中横坐标为磁场H，纵坐标为应力σ。通过观察图10，可初步取值σ0＝-5MPa,H0＝30000km/A，为检验以上结果，以Δσ，ΔH为自变量计算公式8，公式8可转变为公式9：

[0092]

[0093] 通过计算公式(9)得到图11，图11的横坐标是磁场增量与应力增量的比值纵坐标是应力增量Δσ，图11显示当Δσ＝-8MPa, 时，磁化强度达到最大的变化量。由此可反向推导以上初步取值为合适的。因此σ0＝-5MPa,H0＝30000km/A为最佳取值。

[0094] 本实施例中，方向 上的积分磁化M可以通过对来自所有可能的磁化取向的该方向上的磁化贡献进行积分而获得:

[0095]

[0096] 本实施例可以采取一种更简便的方法实现以上公式中的积分过程，令θ在0-π中取360个值， 在0-2π中取180个值，将每一个 取值下的异性能进行叠加，得到[0097]

[0098] 其中 K是在每个施加场和应力条件下评估的归一化常数，ω是电位分布参数，求解过程更简便，公式 的第一项和
第二项分别描述了对磁致伸缩材料单独施加应力和磁场所达到的磁化强度增量，对外在宏观特性的描述更具体，解决了原有的磁畴角度偏转模型能够较好描述载荷作用下材料的磁化特性，但模型对外在宏观特性的描述简单，求解过程复杂，且模型需要进行参数修正的技术问题。

[0099] 请参阅图2，本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立装置的一个实施例包括：

[0100] 第一获取单元301，用于在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式；

[0101] 第二获取单元302，用于通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；

[0102] 偏导单元303，用于对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

[0103] 第三获取单元304，用于将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果。

[0104] 上面是对一种磁畴偏转模型建立装置的各单元进行详细的描述，下面将对一种磁畴偏转模型建立装置的各附加单元进行更详细的描述，请参阅图3，本发明实施例中提供的一种磁畴偏转模型建立装置的另一个实施例包括：

[0105] 第一获取单元401，用于在预定的应力和磁场作用下，获取超磁致伸缩材料内单畴颗粒的预定的自由能公式，预定的自由能公式为：

[0106]

[0107] 其中，H为磁场；Ms为饱和磁化强度；K1和K2为立方晶磁各向异性常数；σ为应力张量；λ100和λ111为磁致伸缩参数； 为场方向； 为应力方向， 为磁化方向；μ0为磁导率，μ0＝4Ω×10-7H/m；

[0108] 第二获取单元402，用于通过预定的自由能公式获取预定的方向上的磁化强度公式；

[0109] 所述第二获取单元402具体包括：

[0110] 获取子单元4021，具体用于通过预定的自由能公式获取磁化能公式、磁晶各向异性能公式、应力各向异性能公式，通过所述磁化能公式、所述磁晶各向异性能公式、所述应力各向异性能公式，获取预定的磁化强度矢量 方向上的磁化强度公式：

[0111]

[0112] 其中，σ为预定的应力；H为预定的磁场； 为预定的磁化强度矢量； 为磁化方向；Efield为磁化能；Ean为磁晶各向异性能；Eσ为应力各向异性能；K为归一化常数；ω为电位分布参数。

[0113] 偏导单元403，用于对所述磁化强度公式分别进行对应力和磁场的偏导运算，获取对应的偏导函数；

[0114] 第三获取单元404，用于将所述偏导函数代入预定的磁化密度增量公式中，获取预定的磁场增量值，获取磁化密度增量的计算结果，预定的磁化密度增量公式为：

[0115]

[0116] 其中，ΔB,ΔH,Δσ分别为磁化密度增量，磁场增量和应力增量，磁化密度等于磁化强度与相对磁导率的乘积。

[0117] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0118] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0119] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0120] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0121] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0122] 以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。