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试谈材料材料微观结构和电磁场效应联系数值模拟

收藏本文 2024-02-14 点赞:32571 浏览:147340 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:材料微观结构对其电磁场效应有着直接的影响,由于受到电磁环境干扰和实验材料的不稳定性等多方面因素影响,实际工程实验在探讨深度和广度上受到诸多限制。随着有限元策略和计算机技术的进展,人们可以利用有限元策略来模拟微观结构,以达到材料微观结构的性能导向型设计和性能预测的目的。本探讨在对材料微观结构进行可视化模拟的基础上,选择有限元软件ANSYS设计了材料电磁场有效作用空间的计算模型,运用Poynting矢量算法计算了材料的电磁场效应。采取基于传输线论述的双端口算法,运用波导结构模型,以模型长度、模型尺寸级别、模型各部分厚度、单元大小、单元层数、边界条件及载荷施加等方面确定了材料电磁场有效作用空间。计算机实验表明,电磁场有效作用空间各区的厚度对材料电磁场效应计算影响很小,而各区的单元层数才是决定能否真实模拟的关键。理由是在有限元计算中,单元是电磁波传播和衰减的载体,而模型的几何尺寸仅仅能反映的是电磁波远场和近场联系。双端口算法的的优点是不考虑材料本身复杂的电磁场耦合作用,只在外部端口上整体探讨电磁波对材料的影响,大大简化了探讨历程。但这种算法带来了以下缺点:一是当工作频率进入材料结构的谐振区时,反射率数值可能远远大于100%,这不利于反射率、透射率和吸收率之间的比较;二是不能计算材料的多角度反射率;三是不能计算多层复合材料的分层吸收率及分层反射率。为了解决这些不足,本论文设计了一种新的计算策略,通过可以表征电磁能量流动方向和大小的Poynting矢量来计算材料的电磁场效应。与本课题组同仁合作,对不同结构的铁氧体材料进行了微观结构设计,并以之为例,运用Poynting矢量算法,在铁氧体材料单元上探讨材料在平面电磁波作用下的电磁场效应,解决了目前同类探讨中不能计算材料多角度反射不足。计算机实验表明:铁氧体材料对平面电磁波有着优异的吸收能力,纳米球互穿结构铁氧体材料的电磁吸收能力高于含纳米球形孔的材料,这主要是由铁氧体材料的高电阻率及其复杂的内部结构决定。运用Poynting矢量算法计算了三层简单形体结构材料的分层电磁场效应,验证了策略的可行性。然后,采取这一算法计算了某四结构层复合材料的分层电磁场效应。计算机实验表明:该结构复合材料在宽频率范围内具有较低反射率,在低频段吸收率较高,随工作频率增加吸收率逐渐降低,当工作频率达到40GHz以上时,吸收率趋于稳定,数值在50%左右。这样的电磁场效应与复合材料采取了三维纤维编织结构和材料本身的电磁参数有关。对该结构进行的分层电磁场效应计算结果表明:入射平面电磁波能量主要集中于沿电磁波传播方向的前两个结构层上,这与材料的趋肤效应和工作频率有关。为了明确复合材料各相基本电磁参数在电磁场计算中的作用,以四结构层复合材料为探讨对象,针对各相复电磁参数采取正交实验策略探讨了复电磁参数变化对复合材料电磁场效应的影响规律。结果表明:复电磁参数实部增加有利于提升复合材料的电磁吸收率并降低反射率,而复介电常数虚部影响情况则刚好相反,复磁导率虚部对电磁场效应影响比较小。这与电磁参数的基本物理作用有关,复电磁参数实部代表材料的电磁能量储存能力,实部增加表示材料储存能量值增加,所以吸收率会上升。最后,为了获得复合材料宽频范围高吸收低反射性能,采取了与纤维分布相关的各向异性电磁参数计算了四结构层复合材料的电磁场效应。结果表明:在电磁波传播垂直方向具有较大复电磁参数实部的材料可以获得良好的宽频高吸收低反射电磁性能。计算机实验和论述浅析证明,采取Poynting矢量算法计算材料的电磁场效应是可行的。探讨策略有效的解决了材料的多角度反射率计算和分层电磁场效应计算不足。此外,探讨内容对宽频高吸收低反射性能复合材料设计具有一定的指导作用。关键词:计算材料工程学论文电磁场效应论文数值模拟论文微波吸收材料论文双端口算法论文Poynting矢量论文

    摘要8-10

    Abstract10-13

    插图索引13-16

    附表索引16-17

    第1章 绪论17-37

    1.1 课题来源17-19

    1.1.1 电磁污染17-18

    1.1.2 隐形技术18-19

    1.2 国内外探讨近况19-33

    1.2.1 碳系电磁屏蔽复合材料探讨近况19-24

    1.2.2 微波吸收材料探讨近况24-33

    1.3 课题探讨背景33-34

    1.4 课题探讨目的及作用34-35

    1.5 课题主要探讨内容35-37

    第2章 材料电磁场计算原理37-52

    2.1 电磁场强度计算的论述推导37-44

    2.1.1 自由空间中电磁波的传播37-41

    2.1.2 电介质中电磁波的传播41-44

    2.2 坡印亭定理和坡印亭矢量44-47

    2.3 ANSYS 中的电磁场有限元计算原理47-52

    第3章 材料电磁场有效作用空间的确定52-75

    3.1 功率反射率/透射率/吸收率的计算原理52-53

    3.2 计算机实验历程53-59

    3.2.1 计算机实验流程53-55

    3.2.2 几何模型的创建55-56

    3.2.3 网格划分56-57

    3.2.4 边界条件及载荷的加载57-59

    3.2.5 结果数据的提取59

    3.3 材料电磁场有效作用空间合理性浅析59-64

    3.3.1 模型总长度60

    3.3.2 端口加载60

    3.3.3 单元层数60-61

    3.3.4 目标体网格及厚度61-62

    3.3.5 多频扫描62-64

    3.4 电磁场有效作用空间尺寸与材料结构谐振区的联系64-69

    3.4.1 毫米尺度简单形体结构多频扫描64-65

    3.4.2 不同大小简单形体结构在不同频率下的计算65-66

    3.4.3 关于缩小化模型的探讨66-69

    3.5 纳米尺度计算模型的 PML 厚度69-73

    3.6 本章小结73-75

    第4章 材料电磁场效应 Poynting 矢量计算法75-91

    4.1 电磁场效应计算原理76-80

    4.1.1 Poynting 矢量介绍76-77

    4.1.2 Poynting 矢量法计算材料电磁场效应原理77-78

    4.1.3 任意角度反射率计算原理78-80

    4.2 简单形体模型的计算机实验80-83

    4.2.1 空气模型的计算机实验81-82

    4.2.2 介质模型的计算机实验82-83

    4.3 ABAQUS-ANSYS 联合计算中的不足及解决案例83-88

    4.3.1 有限元模型连接不足83-85

    4.3.2 表面 PEC 边界条件加载不足85-88

    4.4 不同结构铁氧体结构材料的电磁场效应计算88-90

    4.5 本章小结90-91

    第5章 多层复合材料分层电磁场效应计算91-102

    5.1 基于 Poynting 矢量法的分层电磁场效应计算原理92-93

    5.2 三层复合材料的分层吸收率计算93-96

    5.3 三层五种复合材料的分层吸收率计算96-98

    5.4 四结构层复合材料电磁场效应计算98-100

    5.5 本章小结100-102

    第6章 高电磁吸收率材料电磁参数设计102-120

    6.1 四结构层复合材料各层电磁场效应计算103-114

    6.1.1 纤维相磁导率实部对电磁场效应的影响104-105

    6.1.2 纤维相介电常数实部对电磁场效应的影响105-106

    6.1.3 纤维相磁导率虚部对电磁场效应的影响106-107

    6.1.4 纤维相介电常数虚部对电磁场效应的影响107-108

    6.1.5 基体相磁导率实部对电磁场效应的影响108-109

    6.1.6 基体相介电常数实部对电磁场效应的影响109-110

    6.1.7 基体相磁导率虚部对电磁场效应的影响110-111

    6.1.8 基体相介电常数虚部对电磁场效应的影响111-114

    6.2 四结构层复合材料电磁场效应计算114-118

    6.2.1 基体相参数变化对电磁场效应的影响114-116

    6.2.2 纤维相参数变化对电磁场效应的影响116-118

    6.3 高吸收低反射复合材料电磁参数设计118-119

    6.4 本章小结119-120

    结论与工作展望120-123

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