材料微觀結(jié)構(gòu)與電磁場效應(yīng)關(guān)系的數(shù)值模擬.pdf

1、材料微觀結(jié)構(gòu)對其電磁場效應(yīng)有著直接的影響，由于受到電磁環(huán)境干擾和實驗材料的不穩(wěn)定性等多方面因素影響，實際工程實驗在研究深度和廣度上受到諸多限制。隨著有限元方法和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用有限元方法來模擬微觀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到材料微觀結(jié)構(gòu)的性能導(dǎo)向型設(shè)計和性能預(yù)測的目的。本研究在對材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化模擬的基礎(chǔ)上，選擇有限元軟件ANSYS設(shè)計了材料電磁場有效作用空間的計算模型，應(yīng)用Poynting矢量算法計算了材料的電磁場效應(yīng)。
　

2、　 采用基于傳輸線理論的雙端口算法，應(yīng)用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型，從模型長度、模型尺寸級別、模型各部分厚度、單元大小、單元層數(shù)、邊界條件及載荷施加等方面確定了材料電磁場有效作用空間。計算機(jī)實驗表明，電磁場有效作用空間各區(qū)的厚度對材料電磁場效應(yīng)計算影響很小，而各區(qū)的單元層數(shù)才是決定能否真實模擬的關(guān)鍵。原因是在有限元計算中，單元是電磁波傳播和衰減的載體，而模型的幾何尺寸僅僅能反映的是電磁波遠(yuǎn)場和近場關(guān)系。
　　 雙端口算法的的優(yōu)點是不考慮材料

3、本身復(fù)雜的電磁場耦合作用，只在外部端口上整體研究電磁波對材料的影響，大大簡化了研究過程。但這種算法帶來了以下缺點：一是當(dāng)工作頻率進(jìn)入材料結(jié)構(gòu)的諧振區(qū)時，反射率數(shù)值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100％，這不利于反射率、透射率和吸收率之間的對比；二是不能計算材料的多角度反射率；三是不能計算多層復(fù)合材料的分層吸收率及分層反射率。為了解決這些問題，本文設(shè)計了一種新的計算方法，通過可以表征電磁能量流動方向和大小的Poynting矢量來計算材料的電磁場效應(yīng)。

4、>　　 與本課題組同仁合作，對不同結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，并以之為例，應(yīng)用Poynting矢量算法，在鐵氧體材料單元上研究材料在平面電磁波作用下的電磁場效應(yīng)，解決了目前同類研究中不能計算材料多角度反射問題。計算機(jī)實驗表明：鐵氧體材料對平面電磁波有著優(yōu)異的吸收能力，納米球互穿結(jié)構(gòu)鐵氧體材料的電磁吸收能力高于含納米球形孔的材料，這主要是由鐵氧體材料的高電阻率及其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。
　　 應(yīng)用Poynting矢量算法計

5、算了三層簡單形體結(jié)構(gòu)材料的分層電磁場效應(yīng)，驗證了方法的可行性。然后，采用這一算法計算了某四結(jié)構(gòu)層復(fù)合材料的分層電磁場效應(yīng)。計算機(jī)實驗表明：該結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在寬頻率范圍內(nèi)具有較低反射率，在低頻段吸收率較高，隨工作頻率增加吸收率逐漸降低，當(dāng)工作頻率達(dá)到40GHz以上時，吸收率趨于穩(wěn)定，數(shù)值在50%左右。這樣的電磁場效應(yīng)與復(fù)合材料采用了三維纖維編織結(jié)構(gòu)和材料本身的電磁參數(shù)有關(guān)。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分層電磁場效應(yīng)計算結(jié)果表明：入射平面電磁波能量主要集中

6、于沿電磁波傳播方向的前兩個結(jié)構(gòu)層上，這與材料的趨膚效應(yīng)和工作頻率有關(guān)。
　　 為了明確復(fù)合材料各相基本電磁參數(shù)在電磁場計算中的作用，以四結(jié)構(gòu)層復(fù)合材料為研究對象，針對各相復(fù)電磁參數(shù)采用正交實驗方法研究了復(fù)電磁參數(shù)變化對復(fù)合材料電磁場效應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：復(fù)電磁參數(shù)實部增加有利于提高復(fù)合材料的電磁吸收率并降低反射率，而復(fù)介電常數(shù)虛部影響情況則剛好相反，復(fù)磁導(dǎo)率虛部對電磁場效應(yīng)影響比較小。這與電磁參數(shù)的基本物理意義有關(guān)，復(fù)電磁參

7、數(shù)實部代表材料的電磁能量儲存能力，實部增加表示材料儲存能量值增加，所以吸收率會上升。最后，為了獲得復(fù)合材料寬頻范圍高吸收低反射性能，采用了與纖維分布相關(guān)的各向異性電磁參數(shù)計算了四結(jié)構(gòu)層復(fù)合材料的電磁場效應(yīng)。結(jié)果表明：在電磁波傳播垂直方向具有較大復(fù)電磁參數(shù)實部的材料可以獲得良好的寬頻高吸收低反射電磁性能。
　　 計算機(jī)實驗和理論分析證明，采用Poynting矢量算法計算材料的電磁場效應(yīng)是可行的。研究方法有效的解決了材料的多角度反射