【摘 要】
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在趋于万物互联的人工智能时代,能量转换与信息传输的重要性日益凸显。在能量转换与信息传输过程中,能量采集、智能感知、信息存储和微波通信等功能的实现,与力、电、磁等多个物理场之间能量的高效转换和信息的迅速传输密不可分。基于磁电弹材料制备而成的相关器件,具有取代现存的传感器、俘能器、驱动器中实现能量转换与信息传递等关键元器件的潜质。因此,具备感知磁场、电场功能的磁电弹材料成为国内外众多学者的研究热点之一
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在趋于万物互联的人工智能时代,能量转换与信息传输的重要性日益凸显。在能量转换与信息传输过程中,能量采集、智能感知、信息存储和微波通信等功能的实现,与力、电、磁等多个物理场之间能量的高效转换和信息的迅速传输密不可分。基于磁电弹材料制备而成的相关器件,具有取代现存的传感器、俘能器、驱动器中实现能量转换与信息传递等关键元器件的潜质。因此,具备感知磁场、电场功能的磁电弹材料成为国内外众多学者的研究热点之一。磁电弹智能器件的设计与研制,离不开对磁电弹材料内部力、电、磁多物理场之间的耦合机制的研究与探索。由于多物理场耦合问题的复杂性,求解该类问题时,理论分析和试验测试存在一定的局限性,数值计算已成为不可或缺的手段。有限元法作为求解多物理场耦合问题的主要数值计算方法,其精度和效率有待于进一步提高。Enriched有限元法（Enriched Finite Element Method,EFEM）将单元插值覆盖函数与标准有限元形函数相结合,具有精度高、效率快、网格划分简单等优点,在处理多物理场耦合问题时具有优势。本文基于磁电弹材料力-电-磁多物理场耦合问题的广义平衡方程、广义几何方程、本构方程及边界条件,将插值覆盖函数引入多物理场耦合有限元法中,提出了力-电-磁耦合Enriched有限元法（Mechanical-electro-magnetic coupling enriched finite element method,MEM-EFEM）,推导了力-电-磁耦合Enriched有限元方程,对磁电弹结构在力、电、磁多物理场耦合条件下的静力学响应特性进行研究;基于力-电-磁多物理场耦合问题的基本方程、边界条件及初始条件,推导了力-电-磁耦合Enriched有限元运动方程,结合Newmark法,对磁电弹结构的瞬态响应特性进行研究。通过典型数值算例,验证了MEM-EFEM的正确性、收敛性和优越性。数值算例结果表明,MEM-EFEM在计算磁电弹材料的力、电、磁耦合问题时具备较高计算精度和效率。采用MEM-EFEM分析磁电弹材料多物理场耦合问题有重要的研究意义。
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