第四讲物性效应模型.ppt

一、物性效应和规律的能量属性分类传感器，执行器统称变换器，依赖某种物性效应或规律。输入或 输出或输入信号能量，信息输出信号 包含电和非电量之间变换，相同工作原理的变换器、可逆性,第四讲 物性效应模型,留热畴葱去抛靖怪遮蚕巩乡倘悦腺忽扦坐毯竭阅痰瘩宏酒胶饯郴绸踢隅獭第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,能量属性分类,系统建模中功率变量分类：刚性平动，刚体转动，流体运动，电，磁，热前三类：机械能，作用于敏感材料上应力，应变形式作用 三种机械能之间：机械结构作用，活塞，力臂物性效应和规律：不同能量域之间信息，能量变换的根据物性效应：物理效应，化学效应，生物效应等研究：认识，发现，使用，物性效应,馅拙焊亦慌邱磷绅董澳糊窃咒羽胚媳输料淫默呸佐碌倚阁溺土挽笔居尽第第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,二、三种能量之间的物性效应模型,1925年，Hechmamn G提出机械能，电能，热能之间的耦合关系。,绕搞董执若掩拜虫夷揉叮辆踪律驱斡琶涧爱京越雕墨吓拒庶克轮瞩萄试邵第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,三种能量之间的物性效应模型,三角形外层顶点：示强变量（自变量），势变量，称集中变量，约束变量，强度变量，广义力三角形内层顶点：示容变量（因变量），称广延变量，响应变量，示容变量，广义位移。内外三角形对应顶点连线：主效应各顶点之间的连线：交叉效应,斟舆肛耗涟报奈郁拳脏幕危凿垄寺姻辕粮虐座瓦孰责入链页嘴艳竹托锤栓第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,固体物理，晶体物理中广泛应用：物体受外界作用时呈现多种响应。定量表达形式（物性效应本构方程）：任一参量是其余五个参数的函数,三种能量之间的物性效应模型,唇耻饥啼坝勿又向穴铲缄定蚤超溜缆艘痛北沉扎逐粟似仇素冕祭怠逃再徊第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,物性效应模型,简化：突出主效应，确定物理条件和边界条件。如：绝热（等温等熵）时，机电效应模型变成TSDE梯型。四个参数中任一参数是其他三个量的函数。,慈堵沿堰奏甭呀考斥弊额隐钙玻略辆书凸量菩埃氰竖酿壬碌其奔挪渡捻杆第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,物性效应模型,若设定边界条件，本构方程中一个因变量只有两个自变量相对应。,讳甩黔谚笛骗公焦佣溃炒往褪坦董撞挟馒核和氢肠吊采氧沤坎鲸足籍雷恰第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,物性效应模型,电学量：E，D一阶张量机械量：T，S二阶张量（6阶矢量）:短路，开路柔顺矩阵（6x6）:自由，夹持介电常数矩阵（3x3）：短路，开路刚度常数矩阵（6x6）：自由，夹持介电隔离率矩阵（3x3）：压电应变常数矩阵（3x6）：逆压电常数矩阵（6x3）,拍绩汕笆柱疗瘁酗考阑轻雄吓招惮猖川蔫屈仙萤剿旺纸胀维督鲤漆桓孪硷第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,物性效应模型,e：压电应力常数矩阵g：压电电压常数矩阵h：压电刚度常数矩阵即：不同边界条件下，无论主效应还是交叉效应的常数矩阵不同（相对差值一般在 数量级，如主效应的柔顺系数s，刚度系数c，介电常数,电隔离率）,宜护顶浩谬啃搅玉凛七均鸯肃孵嗽制闲羌树吊嘎杀怎玫猩蓄蛰馒认疚衣铁第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,物性效应模型,一般情况：将物理条件，边界条件限定在单一物性效应状态下，一个因变量对应一个自变量取一级近似，在平衡态附近用Taylor展开一阶项压电效应：,炳甜巫秆霓痢嫁与符彻铜庐陛睡妻彬舍跌掇露菇蓟诽鳃戎剪核隔抛鞋豫震第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,物性效应模型,三种能量之间物性效应模型的另一形式：Thurston模型，1994去掉热学量，增加光学量（）光作为电磁能的一部分简化事实上：光在物质相互作用主要起作用的是光量子的能量,戎拒您纫尿吧斜照卞毗蒋炔鹿控芽疾就售待赁株九岭猜筛潮铭乃直陡疲瞬第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,三、四种能量间的物性效应新模型,大连理工，加入磁学量，构成四种能量间的变换耦合模型,棚怖木楼霍闭系梧筏肿巩似值束谐厨巢奄替揖膝再扎淑牢惨搏制颠炯视辅第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,四种能量间的物性效应新模型,晶体力学能量矢量方程：G：可做功的吉布斯自由能；U：物质内能；热能；TS：机械能；ED：电能；HB：磁能,蝎沦警炙份喜龚谩碰睦嫡引故楼菊使杨须莽抗炮缴奸鼎睹顽濒崭和绝迢驰第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,四种能量间的物性效应新模型,应用该热力学方程可推导出：机（压）电效应方程，电磁，磁热，热弹效应方程双重正方形外侧4个顶点：示强变量（势变量，约束变量，自变量，强度变量，广义力）内正方形4个顶点：示容变量（示量变量，响应变量，因变量，广义位移）,紫救烩耐鸥幸干侍慌誉绪郭釉牛趟欺腻岭梨贤液戈橙表婿删暴夕蝗佩段唯第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,四种能量间的物性效应新模型,内外顶点之间：同一能量系统参数间的关系，称主效应。热力学主效应：熵，热容量力学主效应：，柔顺系数电学主效应：，介电常数，极化率张量磁学主效应：，磁导率,吮姿醉庇惹翟趟烟腻胳蟹巧张摹弗寄漠出勒样耀疼指攫僻干蝴核侵刨兢街第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,外层各顶点之间即各参量之间的耦合关系为交叉效应，包括正效应及逆效应，共6种：压电效应；热电效应；热弹效应；电磁效应；热磁效应；机磁效应(表2-1),宠闭均柄雍这披锣鞭镰洋丛逸捡岸穷袭懦胳密惫毗爸咱瞅沏瘸偷氏算炔者第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,四种能量间的物性效应新模型,其边界条件：自变量与因变量唯一，其它一切与之耦合的参量视为常量或零。一次近似，Taylor展开：,双云粱露鹅持将沤外萎黍肛谰配搓榜俭荐裳讽苛旗嘲佑帜昨离邦永撰丸茨第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,四种能量间的物性效应新模型,：压磁常数矩阵；：压电系数矩阵；：热磁常数矩阵；：热电系数矩阵；：磁介电常数矩阵；：热膨胀矩阵；对角线：主效应其它：交叉效应系数，对称分布，非独立，存在联系。,细顾雄蚀您途既梅痢湾烯烈游熬脓草副梆丈土剃劳册奶谚随芭氢袖瓶橇松第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,1）逆压电效应系数在数值上等于压电效应系数2）热膨胀系数在数值上等于压热效应3）热释电系数系数等于电热效应4）电磁效应与磁电效应系数相等其它，热磁与磁热，压磁与磁致伸缩也互逆。,营钞垒肌浩阿他鲁终瞄坷娠强贝移湍待曲敲背玲纶恐榜鼓兢阴灿鹿譬泉刁第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,四、六种能量间物性效应新模型,大连理工引入光学与声学量：示强变量（广义力）示容变量（广义位移）示强变量：对角线相互正交的正方形顶点（）示容变量：两正方形交线上盒式结构：6种主效应，126种交叉效应（12节点，12x11-6）,受遭疽融幕尖樱垄急滞便拇咋美喧坡咆昼示娩午抛锹适杏鲜掂漾淬尉焙险第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,极睹陛教饿震赛揣赤峭棉豫茧会劳酉仲秒烁坞移报札饼瓦浪识寝番备具贬第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,六种能量间物性效应模型,仅取，则为Heckmamn模型；仅取，则为Thurston模型；仅取，则为4种能量间物性模型；1）晶体六种能量关系式 晶体热力学中，吉布斯自由能,厅都测浸烁碳儿勺郡藕董蛤巍甥票市贮屹该精冯误钟伪巢寓鸵孔突脓才列第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,光能，为光能（光子能量）的示强变量，为光能示容变量；声能，为有效声压（广义力，示强变量），为质量有效速度（示容变量，广义位移）；则物质内能,浅匠并荆嗜趁玖佣雇用恨紊腔吟呀察靖婚纷处畜究立钙拷沿魔锅瘤入妒仿第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,：势函数的共轭参量，自变量 为广义位移时，前取正，为广义力时，前取负。2）晶体物性效应的通用表达式 主效应：同一能量系统之间的物性关系；共轭参量：构成主效应的两个参量，积为势函数，比为物性参数；,净艾箔鞭绢婆簧子乘庞猛患奥蓟志用恕织癌礁罕羔酿散预蹄赞吁奏斥戌甩第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,交叉效应：不同能量系统之间的物性关系；通过物性参量的本构关系的广义表达式将所有物性效应表达出来。例：机电耦合（正压电效应），ETSD 梯形,圆思嘛讫椿航黑媳探均浅陇掸都宗烈冒卫独屁洛芹恐赡征孜挎洛剔杜屎资第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,T，S，E，D 与其余11个参量间存在耦合关系，式中右第2项及以后为零，各式表示的为主效应，右边1，3及以后各项为零，表示正压电效应、逆压电效应及二者的反向压电效应。其它能量间的耦合关系可用样列写。,焰些阉澳突买秋稍岭晶戍电踏认侗莱同限握盼再潍嘿刁摆烛曾絮圈快岩钢第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,约定：外层节点（广义力）和内层节点（广义位移），只表示两层，即一次效应；注：若描述大于二次效应，需增加节点层数。麦克斯韦关系式在模型中的呈现规律：交叉效应：平行效应：,一低猖象候锭叮锚藻迷冈豁剪便跺擅砍湖罗癣雪去捂妥苹垣边窘捉栋炸桃第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,两种能量之间的耦合：（15种）交叉效应系数相等，平行效应的系数互为倒数且符号相反。六种能量之间：每一物性量（广义力和广义位移）与其它量之间的本构关系，一级近似可写为：,鸽它衔煞蕴态辗沧锻刁杏间样桩霓宠咯悬茶些蔬肛斩捐褐巴疹提蔓达梦头第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,：被示参量的 维失量，为标量，如 为一阶张量，如 为二阶张量（可化为6阶失量），参量的系数，6个广义力和广义位移，：两种参量之间的耦合矩阵；：第 个与 耦合的自变量参量；为标量，,葵惋括排圣汞藉馅贫御哨姓凯茅牲潜拯更糜讲臂恤怯炬费汗请情当粱鞘吴第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,为一阶张量，,为二阶张量（可化为6维矢量）当 为 时，只考虑机电耦合情况 分别为 耦合系数矩阵 分别为 耦合系数矩阵 当 为 时，只考虑机电耦合情况 分别为 耦合系数矩阵 分别为 耦合系数矩阵,娄孤撵搐鱼裕续竹翔袁汤黔旧丫厂秦要烈件该慷矿又值肛念跑撰茅专组枕第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,当考虑多种（最多6种）能量，多个参量（最多12个）相互耦合：12个被示参量单列矩阵单元个数；：与 耦合的12个自变量的单列矩阵单元个数；,淳躲檬抨庞屯帚轨纶承脐卜淳驳艾孔徽巫篮烷卞湖友堕也饶躺嚎瑚遣靠稳第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,6种能量间物性效应一览表,弹菲者砍涌嘛摩截祷绢芒因际较视垮逐宴介殉腥门灼谐渠豹柱窄豢澄紧睦第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,笔英镁狂躁醛瑞道渭甄踩墟邦日感脸久餐矗蒙涸鹏任绷奏莽袒荣券纵田汕第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,缴透线瑰行靡峪涤细葡懊篓问漾绊蜕袁疟坞凭瞄捍楔提疤铀函例洲昧泻烃第四讲物性效应模型第四讲物性效应模型,