一种软磁复合材料磁特性评估方法

本发明属于计算材料学、计算电磁学交叉，具体涉及一种软磁复合材料磁特性评估方法。

背景技术：

1、smc材料因其制造工艺简单，工件形状自由度高，高频磁性能优良等优点广泛应用于特种电机的制造中。目前，smc材料开发往往采用以粉末制备-成品性能测试-性能对比-性能优化为主的方法，这种方式需要通过大量试验试制获得不同工艺参数对成品材料特性的影响，增加材料试验和人工成本而且需要较长的研发周期。因此，提出一套数值方法模拟smc材料从制备到磁特性预测以辅助smc材料的快速开发是提高材料研发效率、降低试验成本的一条可能的解决途径。

2、常用的smc材料磁性能评估往往采用有限元法(finite element method，fem)和解析法，两种方法本质上是求解麦克斯韦偏微分方程。有限元法是间接对原控制方程求解，将整个模型离散成有限个网格，然后施加边界条件和初始条件，利用计算机进行求解。解析法是直接对原始方程求解，通过分析问题中的各要素之间的关系，再给出少数性质比较简单、规则函数域上微分方程的精确解。由此可以得出有限元法与解析法相比更适合工程问题，但这两种方法都只适用于以smc材料为铁芯的电气设备的性能评估。

3、另外smc材料磁性能评估还采用离散元法(discrete element method，dem)，其起源于分子动力学，与fem把物理信息都储存在网格单元上相比，dem把物理信息储存在小球单元上。根据运动过程中的每一个时间步长下各个颗粒间的作用和牛顿运动定律的交替迭代分析和预测运动轨迹，一直到静止，施加压力把生成的小球压制成型就模拟了实际的制备过程。dem基于牛顿第二定律，同时考虑颗粒间相互接触作用的影响，分析离散颗粒的运动过程。此外，dem模拟smc制备过程可以考虑颗粒粒径尺寸、分布和颗粒间的接触，以及实际制备过程中的材料参数和接触属性对材料磁性能的影响。将dem和fem结合恰好能够模拟smc材料从制备到磁性能评估的整个过程。根据具体应用场景的需求，在材料制备前通过数值模拟方法获取相应的制备工艺参数，降低材料制备过程的试错成本。但是在微观层面，对于颗粒-颗粒和颗粒-模具接触后产生的塑性形变问题有一定的缺陷，这是由于离散元法中把物理信息集中在球形上的特性造成的。

4、现有的关于软磁复合材料从制备到磁特性系统评估方法资料几乎没有，多数以材料制备、磁特性测量和磁滞模型研究为主。单一的从材料制备的角度提高制备工艺和技术，通过测量实验确定磁特性，再反过来改进制造工艺技术，这种方法增加了试验成本，降低研发效率。单一的软磁复合材料测量和磁滞建模技术仅针对已制备好的材料进行磁特性的测量与磁滞模拟。综上，现有的技术无法将材料制备工艺和磁特性分析两者有机结合起来通过计算机模拟的方法系统模拟整个过程，从而满足软磁复合材料磁特性的定制化需求。

技术实现思路

1、针对现有磁特性评估方法无法考虑材料颗粒属性和制备工艺参数的影响这一不足，本发明提供一种软磁复合材料磁特性评估方法，所述评估方法采用三维dem考虑颗粒参数模拟材料制备过程，以相对密度为桥梁建立不同形状的smc多尺度等效模型，采用fem法对多尺度模型进行直、交流磁特性计算分析的评估方法，其目的是解决评估smc材料磁性能无法考虑颗粒属性和制备参数导致无法准确预测磁特性的问题。

2、一种软磁复合材料磁特性评估方法，具体包括以下步骤：

3、步骤1：分析实际制备过程中smc材料的固有属性和工艺条件参数，在dem中设置制备参数和颗粒属性，所述颗粒属性包含颗粒的形状、大小和粒径分布；

4、步骤2：确定smc材料颗粒间的接触模型，对颗粒间是否接触进行判断；

5、步骤s1：初始化颗粒位置；采用随机法生成初始颗粒位置；

6、步骤s2：判断颗粒间是否接触，接触判据如下：

7、ri+rj≥di,j

8、di,j＝‖xi-xj‖2

9、其中ri和rj为第i和第j个颗粒的半径，xi和xj为两个颗粒间的球心位置矢量；当判断颗粒发生接触，则执行s3；否则，对下一颗粒间是否接触进行判断；所述接触为两个颗粒存在相切或者相交；

10、步骤s3：根据smc材料类型选择接触模型；利用接触模型并判断发生接触的颗粒产生形变的受力情况；

11、步骤s4：颗粒的受力情况分析，计算已经判断为接触的颗粒间相互作用力与重力的合力、合力矩；

12、步骤s5：更新颗粒速度和位移；

13、

14、

15、式中，si，bi，g，ii，ωi，mij，fij分别为第i个颗粒的位移，质量，重力加速度，转动惯量，角速度，以及第i和第j个颗粒之间由于接触而产生的相互作用力矩和力；

16、步骤s6：更新时间步长，完成一个循环；重复步骤s1-s5直到所有颗粒都完成是否接触的判断，并进行受力分析；

17、步骤3：设置一个空间域，根据生成空间域的大小设置颗粒数目模拟实际粉末，并在空间域设置一个虚拟平面使颗粒随机生成下落并做自由落体运动；根据生成的颗粒数量，设置迭代步长和网格剖分的数量；颗粒下落静止后，建立一个平板模拟压制过程；

18、步骤4：模拟压制完成后颗粒形成一个整体，把这个整体作为dem模型，然后对模型进行后处理，得到模拟压制密度；

19、步骤5：用模拟压制密度和smc材料颗粒测量密度建立相对密度关系，通过相对密度建立控制不同几何形状中单边颗粒数量和绝缘层几何厚度的smc多尺度模型；

20、所述的smc多尺度模型以相对密度为桥梁构建，建模方法如下：

21、

22、

23、

24、

25、s＝d-lp (7)

26、式中，lp,cub为正方体颗粒的边长，lp,cuboid,x，lp,cuboid,y，lp,cuboid,z长方体颗粒的长宽高，lp,tri三棱柱颗粒的边长，ρsmc smc块体密度，ρfe颗粒密度，lcube立方体边长，n单边颗粒数量，d颗粒中心点距离，lp不同形状颗粒一个方向上的边长，s绝缘层厚度；

27、步骤6：利用smc多尺度模型使用fem软件进行直、交流磁特性的计算分析；

28、所述直流磁特性包括磁导率曲线和饱和磁极化强度；交流磁特性包括不同激磁频率下的磁滞损耗和涡流损耗；采用涡流场求解器计算smc低频和高频的涡流损耗pe；将频率设置为低频率，计算smc的磁滞损耗ph；采用静磁场求解器计算smc的直流磁特性，分别计算：smc的平均等效磁感应强度bavg、平均等效磁场强度havg和相对磁导率μr以及饱合磁极化强度jmax；

29、

30、

31、jmax＝bmax-μ0hmax (10)

32、

33、其中，bmag、hmag、scenter、bmax、hmax、μ0为磁感应强度的标量值、磁场强度的标量值、中心截面的面积、磁感应强度的最大值、磁场强度的最大值、真空磁导率；

34、步骤7：输出模拟分析直、交流磁特性计算值，实现smc材料从制备到磁特性预测的全过程模拟。

35、本发明有益技术效果：

36、本发明采用三维dem-fem相结合的方法综合评估制备smc材料的磁特性，通过三维dem评估制备压力、颗粒属性对成品材料压制密度的影响，通过三维fem评估成品材料的交、直流磁特性。以材料压制密度作为桥梁将dem生成的模型和fem建立的模型有机结合起来，通过相对密度建立可以控制不同几何形状中单边颗粒数量和绝缘层几何厚度的smc多尺度fem模型，构建dem-fem与实验制备的联调机制，实现smc从制备到磁特性预测的全过程模拟。解决了现有评估方法无法在线调整工艺参数进而快速开发具有独特磁特性smc的问题。本发明的突出优点是可以在评估smc直、交流磁特性时考虑不同磁粉颗粒属性，使得评估结果接近真实情况。具体优点如下：

37、(1)在dem模拟制备过程中，可以考虑压制力、颗粒形状、大小和粒径分布，更加精准地模拟smc的微观结构，实现对smc制备过程的有效模拟。

38、(2)smc多尺度模型可以考虑不同的几何形状，并对几何形状中单边颗粒数量和绝缘层几何厚度进行控制，在有限的计算成本下，保证多尺度模型的计算精度，可以最大程度地准确评估smc的磁特性。

39、(3)并不局限于颗粒参数，用户可以输入任何实际smc颗粒参数进行评估。通过输入个性化的制备参数和颗粒参数，便于实现特定smc的磁特性评估，具有广泛的应用前景和实用价值。拓展了多尺度模型对smc磁特性评估中的应用。