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硬磁软材料的磁致变形数值研究

复合材料学报 2024年第7期41卷 3831-3838页

作者：彭帆刘易函马维力长安大学理学院西安710064 长安大学材料科学与工程学院 710064

光滑有限元基于光滑应变技术,在进行数值积分时避免使用等参变换,在模拟软材料大变形问题具有一定的优势。建立了基于光滑应变技术的硬磁软材料大变形模拟的数值格式,给出了数值格式中所需要的应力张量和本构张量。采用该数值格式研究... 详细信息

光滑有限元基于光滑应变技术,在进行数值积分时避免使用等参变换,在模拟软材料大变形问题具有一定的优势。建立了基于光滑应变技术的硬磁软材料大变形模拟的数值格式,给出了数值格式中所需要的应力张量和本构张量。采用该数值格式研究了不同长高比下的硬磁软材料梁在外部磁场激励下的弯曲特性,得到的磁载荷-位移曲线和试验结果进行了对比;模拟了含有不同残余磁场方向分布的硬磁软材料结构在外磁场作用下的形态演化过程,计算的最终变形形态与试验结果进行比较。计算结果表明:采用该数值格式得到的结果与试验结果吻合较好;在不受约束的前提下,硬磁软材料内部残余磁场方向突变处变形较大。研究结果可为由硬磁软材料组成的软体机器人和智能柔性结构的力学分析与变形调控设计提供参考。

关键词：硬磁软材料光滑应变技术磁致变形有限元磁活性聚合物

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硬磁软材料的三维无网格模型

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第6期54卷 59-69页

作者：刘俊廷杨易凡李茂源徐凡复旦大学航空航天系力学与工程仿真研究所上海200433

硬磁软材料由填充了高剩磁颗粒的弹性体基质组成,具有灵活的可编程性和快速变形等优势,在软体机器人、生物医学设备和柔性电子领域具有广阔的应用前景.对硬磁软材料大变形的精确预测是相关应用的关键.由于硬磁柔性结构的可编程形貌变形... 详细信息

硬磁软材料由填充了高剩磁颗粒的弹性体基质组成,具有灵活的可编程性和快速变形等优势,在软体机器人、生物医学设备和柔性电子领域具有广阔的应用前景.对硬磁软材料大变形的精确预测是相关应用的关键.由于硬磁柔性结构的可编程形貌变形预测及设计对精度要求较高,本文提出了一种基于径向基点插值法的三维无网格模型来定量预测硬磁软材料的大变形行为.通过采用直接节点积分并结合中心差分法进行求解,研究了硬磁软梁和硬磁悬臂板的弯曲变形,硬磁软杆的扭转变形,以及硬磁软梁在三维非均匀磁化情况下的空间大变形响应.我们的模型不仅可用于定量分析硬磁软材料大变形行为,也可用于指导铁磁软体机器人和柔性结构的理性设计.

关键词：硬磁软材料磁驱动器无网格法径向基点插值法大变形

形状可控硬磁软材料声子晶体带隙的可调谐性研究

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形状可控硬磁软材料声子晶体带隙的可调谐性研究

作者：李博兰州大学

学位级别：硕士

声子晶体作为一种周期性复合结构,可以阻挡特定频率范围内的弹性波或声波的传播。声子晶体具有的禁带特性使其在振动降噪、滤波器和声学传感器等领域都有着广泛的应用。带隙的主动调节是目前声子晶体领域的重要问题之一,近年来通过引入... 详细信息

声子晶体作为一种周期性复合结构,可以阻挡特定频率范围内的弹性波或声波的传播。声子晶体具有的禁带特性使其在振动降噪、滤波器和声学传感器等领域都有着广泛的应用。带隙的主动调节是目前声子晶体领域的重要问题之一,近年来通过引入智能材料制备声子晶体,然后利用外部刺激来调节其带隙结构是声子晶体带隙调控的重要途径。硬磁软材料是近年来兴起的一种新型磁敏感智能材料,通过3D打印技术将一些硬磁性颗粒(例如钕铁硼颗粒)均匀嵌入硅橡胶基质中制成。在外界磁场的激励下,硬磁软材料由于受到磁力矩的作用进而实现快速、复杂和可编程的三维形状变化。本文通过将硬磁软材料引入声子晶体,采用有限元方法研究了外界磁场对硬磁软材料声子晶体弹性波带隙的调控特征,实现了外界磁场对声子晶体形状的远程驱动以及弹性波带隙的主动调节。本文具体研究内容包括:(1)基于neo-Hookean超弹性模型介绍了硬磁软材料声子晶体弹性波传播的理论基础和控制方程。采用3D打印技术制备了硬磁软材料样本,通过带有自制双剪切试验夹具的通用材料试验机测量了硬磁软材料样本的剪切应力-应变曲线,并根据曲线计算了该样本的剪切模量。其次,采用振动样品磁力计测量了硬磁软材料样本的磁滞回线进而得到了样本的磁化强度。这些基础工作的开展为硬磁软材料声子晶体磁控变形和能带结构的计算打下了基础。(2)研究了二维周期多孔硬磁软材料声子晶体在外加磁场作用下的弹性波带隙特性。建立了具有不同磁各向异性编码的硬磁软材料声子晶体有限元模型,讨论了磁场、结构厚度、结构孔隙率和不同磁各向异性编码模式对带隙结构的影响。数值结果表明:通过施加外部磁场来调整硬磁软材料声子晶体的起始频率、截止频率和带隙宽度是非常有效的。外加磁场可以调节硬磁软材料声子晶体带隙的产生和闭合。不同的磁各向异性编码模式对带隙的数量和带隙的临界磁场有显著影响,带隙的数量和带隙的临界磁场显著依赖于磁各向异性模式编码的复杂程度,编码模式III具有更多的带隙数量以及更大的带隙临界磁场。此外,研究还发现结构的厚度和孔隙率也对二维周期多孔硬磁软材料声子晶体的带隙调控有着重要影响。(3)建立了具有正弦韧带形状的可编码软晶格声子晶体结构,分析了磁场、韧带波峰数量以及外加机械载荷对带隙结构的影响。结果表明,相比于二维周期多孔硬磁软材料声子晶体,正弦韧带可编码软晶格声子晶体具有更加明显的宽带和多带,该结构在最大带隙宽度和带隙数量上都要优于二维周期多孔结构。外加磁场可以使直韧带变形为正弦韧带,并能有效打开新带隙;并且韧带上的波峰数量对弹性波带隙的位置和带隙宽度有明显的调控作用导致宽带和多带特征。改变该结构的磁编码模式可以分别实现对低频宽带和高频宽带的主动调节,编码模式III和IV可以有效调节低频宽带,编码模式V和VI则可以有效调节高频宽带。在此章节,作者还讨论了能够有效诱导出低频宽带和高频多带的结构磁各向异性编码模式;研究了磁场-机械力对正弦韧带可编码软晶格声子晶体弹性波带隙的联合调控作用,机械载荷能够使结构产生新的变形模式分支,并且带隙的可调频率范围显著增大,展示出了广泛的带隙可调谐性。(4)建立了硬磁软材料三维声子晶体模型,开展了硬磁软材料三维声子晶体的弹性波带隙调控研究。研究结果表明,在外界磁场的激励下,硬磁软材料三维声子晶体可以实现低频带隙和高频带隙的同时调节,带隙频率能够尽可能占据整个色散区域,带隙调节能力相比于硬磁软材料二维声子晶体更为突出。单向磁场可以使硬磁软材料三维声子晶体带隙频率降低,带隙向下移动,而双向磁场的应用则可以有效打开硬磁软材料三维声子晶体的低频带隙。此外,通过改变三维声子晶体的磁各向异性编码模式,其低频带隙的带隙宽度也明显增大。

关键词：硬磁软材料声子晶体磁各向异性编码模式磁场宽带和多带

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硬磁软材料输流管的屈曲不稳定分析

硬磁软材料输流管的屈曲不稳定分析

第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）

作者：马地龙陈伟王琳

输流管道广泛应用于船舶海洋、航空航天、核电、机械等工程领域。最近研究报道显示,硬磁软材料管在软体机器、柔性器械、生物打印等前沿领域也有良好的应用前景。软材料输流管是典型的非线性动力系统,它在内部流体力作用下易丧失稳定性... 详细信息

输流管道广泛应用于船舶海洋、航空航天、核电、机械等工程领域。最近研究报道显示,硬磁软材料管在软体机器、柔性器械、生物打印等前沿领域也有良好的应用前景。软材料输流管是典型的非线性动力系统,它在内部流体力作用下易丧失稳定性并出现较大位移。如何预测硬磁软材料输流管的稳定性以及如何调控其动力学行为显得至关重要。本文基于非线性动力学建模方法,考虑管道内部流体的作用力,建立了磁调控下硬磁软材料输流管道的动力学理论模型,给出了铰支-可滑动铰支边界条件下管道的非线性控制方程,并对这种边界条件下输流管道的屈曲不稳定性进行了求解和分析。研究结果显示,外加磁场对硬磁软材料输流管的稳定性、临界流速和屈曲形状均有较大影响。

关键词：硬磁软材料输流管道稳定性磁调控屈曲

来源： cnki会议评论

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硬磁软连续体的磁畴可重编程与优化设计

复合材料学报 2024年

作者：赵勇李木军中国科学技术大学工程科学学院

硬磁软材料是一种新型的磁驱动复合材料，其中硬磁软连续体具有响应快、变形大、生物安全性好的特点，在生物医疗，仿生，软体触手等领域获得了广泛的关注。然而，现有的硬磁软连续体通过脉冲磁场磁化，磁畴模式单一，难以满足复杂的变... 详细信息

硬磁软材料是一种新型的磁驱动复合材料，其中硬磁软连续体具有响应快、变形大、生物安全性好的特点，在生物医疗，仿生，软体触手等领域获得了广泛的关注。然而，现有的硬磁软连续体通过脉冲磁场磁化，磁畴模式单一，难以满足复杂的变形需求，此外如何解决硬磁软连续体在复杂变形下的磁畴优化设计问题也是当前的重要挑战。针对该问题，本文开发了基于二氧化铬的硬磁软连续体，通过激光直写实现了复杂磁畴模式的可重构编程。而后针对不同变形需求的磁畴分段设计问题，对尺寸大小、磁粉含量和磁畴方向进行优化设计。最后针对多种变形需求进行磁畴的优化设计并通过实验进行验证，同时进行功能化展示。

关键词：硬磁软材料二氧化铬磁畴的优化设计有限元仿真磁畴重编程

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硬磁软曲梁大变形力学模型

科学通报 2022年第34期67卷 4080-4091页

作者：李茂源杨易凡程柘徐凡复旦大学航空航天系力学与工程仿真研究所上海200433

硬磁软材料因其灵活的可编程性、非接触驱动和快速响应等特点,在软体机器人、生物医学工程和柔性电子等领域引起了广泛关注.这种多功能复合材料通常是由硬磁颗粒嵌入软基质构成,能够在外加磁场激励下产生较大的变形.本文提出了一种基于... 详细信息

硬磁软材料因其灵活的可编程性、非接触驱动和快速响应等特点,在软体机器人、生物医学工程和柔性电子等领域引起了广泛关注.这种多功能复合材料通常是由硬磁颗粒嵌入软基质构成,能够在外加磁场激励下产生较大的变形.本文提出了一种基于铁木辛柯剪切变形理论的新型可伸长变曲率硬磁软梁模型,并结合打靶法实现快速求解硬磁弹性体非线性大变形问题;探究了不同长厚比下的硬磁软梁在不同外部磁场方向激励下的大挠度弯曲特性,发现了减小梁的长厚比和减弱外加磁场可增强剪切效应的影响机制,揭示了剪切变形在深梁大变形弯曲中的重要性,模型预测结果与实验吻合.研究结果可用于硬磁软机器和功能柔性结构的理性设计与可编程变形调控.

关键词：硬磁软材料磁驱结构铁木辛柯梁剪应变大变形

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基于机器学习的磁性软触手导航研究

基于机器学习的磁性软触手导航研究

作者：倪阳阳中国科学技术大学

学位级别：硕士

软连续体机器人固有的柔软特性以及高度非线性变形使其非常适用于复杂的非结构化环境,在以靶向药物输送和介入式治疗为代表的生物医学领域得到了广泛的应用。然而,传统的基于气动和肌腱驱动的软连续体机器人由于控制精度低、难以小型化... 详细信息

软连续体机器人固有的柔软特性以及高度非线性变形使其非常适用于复杂的非结构化环境,在以靶向药物输送和介入式治疗为代表的生物医学领域得到了广泛的应用。然而,传统的基于气动和肌腱驱动的软连续体机器人由于控制精度低、难以小型化以及驱动迟滞等问题很难触及人体深处狭窄且曲折的血管系统。基于磁驱动的软连续体机器人的出现有效地解决了上述问题,其中,由硬磁软材料制作的磁响应软连续体机器人由于易于制造且具备形状可编程性而受到相关研究人员的广泛关注。本文针对应用于微创手术的医用导丝的控制问题提出了一种基于机器学习的人工神经网络(ANN)模型,能够在模拟的血管路径中精确且高效控制所谓的“磁性软触手”的变形并将其导航到目标位置。在这里,我们将由远端的磁响应尖端和近端的商用导丝连接而成的铁磁软连续体机器人称作磁性软触手。人工神经网络模型以参数化仿真的结果为训练数据集,能够根据输入的离散化血管路径的数学表示准确预测并输出相应的控制参数配置。这种基于数据驱动的控制模型绕开了困难的运动学建模过程,同时避免了繁重的计算成本,利用ANN模型的预测性能即可得到磁性软触手尖端在任意变形下的驱动参数。首先,基于分段控制的思想,我们将连续的血管路径离散化为一系列散点,以相邻点间的偏移量和偏转角为描述某段变形的特征参数。然后将描述整个路径轨迹的二维特征矩阵输入学习模型中,模型预测输出每段变形对应的控制参数,包括磁场的大小、方向和磁响应尖端变形部分的长度。下一步根据学习模型的设计需求收集相应的训练数据集,为避免重复建模,我们基于ABAQUS-Python的二次开发功能进行磁性触手尖端的参数化仿真分析,以磁性触手尖端的长度及磁场模式为变量分析不同情况下的变形。然后,采用基于贝叶斯优化的超参数搜索方法优化神经网络模型,最终的学习模型在测试数据集上表现出优秀的泛化性能,达到0.0076的均方根误差水平。最后,我们通过三个演示实验进一步展示了学习模型的高精度定位及高效导航的能力,也说明了将这种控制方案应用于人体深处狭窄且曲折的血管系统的巨大潜力,为避免磁辐射风险和减少组织创伤提供了可能性。

关键词：软连续体机器人机器学习导航硬磁软材料微创手术

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分段式磁响应软连续体机器人的设计及仿真

新技术新工艺 2022年第5期 23-28页

作者：倪阳阳李木军中国科学技术大学精密机械与精密仪器系安徽合肥230026

连续体机器人固有的柔软、非线性变形特性使其非常适用于复杂的非结构化环境,其中,磁响应软连续体机器人由于易于制造、小型化和远程操控而引发广泛关注。基于硬磁软材料的力学模型提出了一种分段式磁响应软连续体机器人,并根据预定义... 详细信息

连续体机器人固有的柔软、非线性变形特性使其非常适用于复杂的非结构化环境,其中,磁响应软连续体机器人由于易于制造、小型化和远程操控而引发广泛关注。基于硬磁软材料的力学模型提出了一种分段式磁响应软连续体机器人,并根据预定义二维形态设计了机器人的分段磁化模式。这种软连续体机器人变形灵活、响应快速且具备形状可编程性,能够在特定作业中高效完成任务。基于ABAQUS的二次开发功能并结合用户单元子程序对磁响应软连续体机器人进行建模和仿真,结果充分验证了分段磁化的设计模型能够很好地实现驱动磁场下的预定义变形轮廓。进一步地,以硬磁颗粒含量和长径比为分析变量,以形态周期宽度为衡量指标,分别研究了两者对驱动性能的影响。

关键词：连续体机器人磁响应硬磁软材料分段驱动性能二次开发