In addition to being useful for some nondestructive evaluation techniques, interactions between magnetic fields and defects in solids may also alter material properties. To explore this possibility, Maxwell's equations were coupled with a continuum mechanics model for elastic strain to formulate analytical expressions for the interaction of a magnetic field with several crack geometries. The influence of crack velocity and a realistic (nonlinear) magnetic susceptibility were included into a model of this type for the first time and shown to introduce unexpected trends in the magneto-elastic stress intensity. Singularities magneto-elastic stresses appear at different combinations of magnetic field strength and crack velocity, and the stresses at the crack tip switch sign. In a related study, the interaction of an alternating magnetic field with elastic stress through was explored through a coupling effect known as magneto-acoustic resonance. A model for the phenomena, in which magnetic waves excite elastic waves and vice versa, was formulated and used to explore the spin (magnon) and anti-plane elastic (phonon) interactions in piecewise homogeneous ferromagnetic spaces with two different sets of properties. The model suggests some combinations of magnetic field and frequency can produce a new kind of wave to appear. These new waves, which we call Accompanying Surface Magnetoelastic (ASM) waves, are localized at the interface between the two ferromagnetic media and they accompany reflection and transmission waves. It is shown that the amplitudes of the reflected, transmitted, and ASM waves depend strongly on magnetic field strength, frequency, and the angle of the incident wave, as well as on the physical properties of ferromagnetic media. / Ph. D.

The stress-strain state of ferromagnetic plane with a moving crack has been investigated in this study. The model considers a soft magnetic ferroelastic body and incorporates a realistic (nonlinear) susceptibility. A moving crack is present in the body and is propagating in a direction perpendicular to the magnetic field. Assuming that the processes in the moving coordinates are stationary, a Fourier transform method is used to reduce the mixed boundary value problem to the solutions of a pair of dual integral equations yielding to a closed form solution. As a result of this investigation, the magnetoelastic stress intensity factor is obtained and its dependency upon the crack velocity, material constants and nonlinear law of magnetization are highlighted. It has been shown that stress result around the crack essentially depend on external magnetic field, speed of the moving crack, nonlinear law of magnetization, and other physical parameters. The results presented in this work show that when cracked ferromagnetic structure is under the influence of magnetic field it is necessary to take into account the interaction effects between deformation of the body and magnetic field and that such interaction can bring to a new conditions for strengthening the materials. Closed form solutions for the stress-strain state are obtained, graphical representations are supplied and conclusions and prospects for further developments are outlined. / Master of Science

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

Cette étude traite de la stabilité et la post-bifurcation des élastomères magnétorhéologiques isotropes (MRE). Les MRE sont des élastomères comprenant une fraction en volume fini de particules de fer magnétisables, réparties de façon aléatoire dans le volume. Plus précisément, un système de film/substrat magnéto-élastique non linéaire est exploité expérimentalement, numériquement et théoriquement pour obtenir un contrôle actif de la rugosité de la surface du film. L'interaction non-intuitive entre le champ magnétique et la déformation élastique est due au choix des matériaux et de la géométrie du système, à savoir un film composite de particules ferromagnétiques collé sur une fondation passive et compliante. La coopération de deux mécanismes qui sont par ailleurs indépendants, la pré-compression mécanique et le champ magnétique, permet de rapprocher la structure d'un état faiblement stable et puis de la rendre instable par des champs magnétiques ou mécaniques. Nous démontrons pour la première fois que le champ magnétique critique est une fonction décroissante de la pré-compression et vice versa. Les résultats expérimentaux sont ensuite sondés avec succès par des simulations à champs complets par éléments finis en grandes déformations et champs magnétiques. Une analyse théorique de bifurcation magnéto-mécanique sur un système magnéto-élastique infini est également utilisée pour explorer l'effet des propriétés combinées sur la réponse critique.Dans la perspective d'élargir l'activation de surface à de nouveaux motifs magnéto-mécaniques, nous étudions plus en détail la post-stabilité d'un bloc bi-couche entièrement magnétorhéologique. L'idée sous-jacente est de créer différents contrastes entre les couches de propriétés magnétiques/mécaniques et de déclencher une gamme de motifs de surface plus riche que celle déjà obtenue en utilisant un film MRE sur une fondation passive. Les calculs post-bifurcation des films MRE collés sur des substrats MRE permettent de mettre en évidence les modes morphologiques résultant de la (in)compatibilité des modes de champs indépendants. Le couplage magnéto-élastique permet le contrôle réversible marche/arrêt de la configuration de surface sous des champs magnétiques et mécaniques critiques ajustables et donc, cette étude constitue un premier pas vers des dispositifs haptiques et morphiques actifs. / The present work deals with the stability and post-bifurcation response of isotropic magnetorheological elastomers (MREs). MREs are elastomers comprising a finite volume fraction of magnetizable iron particles, distributed randomly in the volume. Specifically, a nonlinear magnetoelastic film/substrate system is experimentally, numerically and theoretically exploited to obtain active control of surface roughness. The non-intuitive interplay between magnetic field and elastic deformation owes to material and geometry selection, namely, a ferromagnetic particle composite film bonded on a compliant passive foundation. Cooperation of two otherwise independent loading mechanisms--mechanical pre-compression and magnetic field--allows to bring the structure near a marginally stable state and then destabilize it with either magnetic or mechanical fields. We demonstrate for the first time that the critical magnetic field is a decreasing function of pre-compression and vice versa. The experimental results are probed successfully with full-field finite element simulations at large strains and magnetic fields. A theoretical magnetomechanical bifurcation analysis on an infinite magnetoelastic system is further employed to explore the effect of the interlayer combined properties on the critical response and is compared with the available numerical results.  With the perspective of applying the principle of surface actuation to new magnetomechanically triggered patterns, we further investigate the post-bifurcation of an entirely magnetorheological bilayer block. The underlying idea is to create different interlayer contrasts of magnetic and mechanical properties allowing us to trigger a larger range of surface patterns than that already obtained when using a MRE film on a passive (magnetically insensitive) foundation. Post-bifurcation calculations of MRE films bonded on MRE substrates allow to reveal novel patterns that lead to significant curvature localisation and crinkling.  In all cases studied, the magnetoelastic coupling allows for the reversible on/off control of surface patterning under adjustable critical magnetic and mechanical fields for a single specimen and thus, this study constitutes a first step towards realistic active haptic and morphing devices.

Cette thèse porte sur la propagation des ondes magnéto-électro-élastiques dans les structures inhomogènes, et tout particulièrement de l’effet d’un champ magnétique externe sur des structures multicouches et des cristaux phononiques combinant des matériaux à la fois piézoélectriques et magnéto-élastiques. Pour déterminer les caractéristiques des ondes se propageant dans ces structures magnéto-électro-élastiques, un modèle de matériau piézomagnétique équivalent à un matériau magnéto-élastique en couche mince, polarisé à saturation autour d’une position d’équilibre définie par l’orientation et l’amplitude d’un champ magnétique externe appliqué à celui-ci, est développé. Il est combiné à une méthode originale de calcul des courbes de dispersion dans les multicouches, basée sur une décomposition en polynômes de Legendre pour les couches d’épaisseur finie, et en polynômes de Laguerre pour le substrat semi-infini. Ce modèle est utilisé pour le cas d’un film mince de TbCo2/FeCo, présentant une anisotropie magnétique uni-axiale dans le plan et une magnétostriction géante, déposé sur un substrat de LiNbO3 sous forme de film ou en réseau de plots cylindriques. On montre que dans ce dernier cas, correspondant à un cristal phononique magnéto-élastiques à résonance locale, il est possible de contrôler sans aucun contact la structure de bande par l’application d’un champ magnétique externe. Ainsi, une sensibilité de 50 kHz par Oersted a été calculée pour une bande plate située dans le gap de Bragg d’un tel cristal phononique. Cette sensibilité est suffisante pour envisager une application du dispositif comme un détecteur très sensible de champs magnétiques localisés / This thesis focuses on the propagation of magneto-electro-elastic waves in inhomogeneous structures, and in particular the effect of an external magnetic field on multilayer structures and on phononic crystals that combine both piezoelectric and magneto-elastic materials. To determine the characteristics of waves propagating in magneto-electro-elastic structures, an effective piezomagnetic material model, equivalents to a thin layer of magneto-elastic material, is developed. The thin layer is polarized to saturation around the equilibrium position defined by the direction and amplitude of an external magnetic field. This model is combined with a method of dispersion curves calculation in multilayer structures, based on a decomposition in Legendre polynomials for layers of finite thickness and Laguerre polynomials for a semi-infinite substrate. The model is used for the case of a TbCo2/FeCo thin film, presenting an in plane uniaxial magnetic anisotropy and a giant magnetostriction, deposited as a film, or as a lattice of cylinders, on a substrate of LiNbO3. It is shown that in the latter case, corresponding to a local resonance magneto-elastic phononic crystal, it is possible to control, without any contact, the band structure by applying an external magnetic field. Thus, a sensitivity of 50kHz by Oersted was calculated for a flat band located in Bragg band gap for such phononic crystal. This sensitivity is sufficient to enable the use of this device as a sensitive detector of localized magnetic fields

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

The aim of this thesis is to investigate the potential of replacing the material 1.4418 (R87), currently used in ABB's PFCL201 load cells, with the material 1.402 (R03). Both materials possess desirable properties, including high strength, toughness and magnetoelastic characteristics, making them suitable for force transducer applications in strip tension systems. However, the scarcity and high cost of R87 necessitate exploring the feasibility of utilizing the more affordable and easily obtainable R03. The research methodology involved a combination of mechanical and thermal simulations, as well as the evaluation of prototype measurements made from R03. Mechanical simulations were conducted to identify a new load cell geometry that would facilitate the use of R03, while thermal simulations focused on comparing the thermal properties of R03 with real-life measurements. Furthermore, prototypes made from R03 were tested to investigate the transducer characteristics of the material. Lastly, a cost analysis was performed, comparing the manufacturing costs associated with R87 and R03. The study yielded promising results. R03 improves the manufacturing process and significantly reduces the costs related to it. A new load cell geometry was identified, which could be manufactured using existing resources at the factory. Thermal simulations demonstrated improvements in the thermal properties when employing R03. However, measurements of the PFCL201-20 kN load cell made from R03, indicated that to maintain the same accuracy class and commutation angle as the current R87 load cells, the nominal load would need to be adjusted to 12 kN instead of 20 kN. Nonetheless, with the identified geometric modifications, R03 load cells could still be utilized as 20 kN load cells. Alternatively, by changing either the accuracy class or commutation angle. This research provides valuable insights into the possibility of replacing the expensive and scarce R87 material with the more cost-effective and readily available R03 in ABB's PFCL201 load cells. The findings offer a foundation for future studies and potential business decisions regarding material selection and load cell design optimization.

Les propriétés magnétiques des matériaux sont fortement connectées à leur structure cristallographique. Nous proposons un modèle atomique de la dynamique d'aimantation capable de rendre compte de cette magnétoélasticité. Bien que ce travail s'inscrive dans une thématique générale de l'étude des matériaux magnétiques en température, nous la particularisons à un seul élément, le Cobalt. Dans ce modèle effectif, les atomes sont décrits par 3 vecteurs classiques qui sont position, impulsion et spin. Ils interagissent entre eux via un potentiel magnéto-mécanique ad hoc. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique de spin atomique. Cette méthode permet d'aborder simplement l'écriture des équations d'évolution d'un système atomique de spins dans lequel la position et l'impulsion des atomes sont gelées. Il est toutefois possible de définir une température de spin permettant de développer naturellement une connexion avec un bain thermique. Montrant les limites d'une approche stochastique, nous développons une nouvelle formulation déterministe du contrôle de la température d'un système à spins.Dans un second temps, nous développons et analysons les intégrateurs géométriques nécessaires au couplage temporel de la dynamique moléculaire avec cette dynamique de spin atomique. La liaison des spins avec le réseau est assurée par un potentiel magnétique dépendant des positions des atomes. La nouveauté de ce potentiel réside dans la manière de paramétrer l'anisotropie magnétique qui est la manifestation d'un couplage spin-orbite. L'écriture d'un modèle de paires étendu de l'anisotropie permet de restituer les constantes de magnétostriction expérimentales du hcp-Co. En considérant un système canonique, où pression et température sont contrôlées, nous avons mis en évidence la transition de retournement de spin si particulière au Co vers 695K.Nous finissons par l'étude des retournements d'aimantation super-paramagnétiques de nanoplots de Co permettant de comparer ce couplage spin-réseau aux mesures récentes. / The magnetic properties of materials are strongly connected to their crystallographic structure. An atomistic model of the magnetization dynamics is developed which takes into account magneto-elasticity. Although this study is valid for all magnetic materials under temperatures, this study focuses only on Cobalt. In our effective model, atoms are described by three classical vectors as position, momentum and spin, which interact via an ad hoc magneto-mechanical potential.The atomistic spin dynamics is first considered. This method allows us to write the evolution equations of an atomic system of spins in which positions and impulsions are first frozen. However, a spin temperature is introduced to develop a natural connection with a thermal bath. Showing the limits of the stochastic approach, a genuine deterministic approach is followed to control the canonical temperature in this spin system.In a second step, several geometrical integrators are developed and analyzed to couple together both the molecular dynamics and atomic spin dynamics schemes. The connection between the spins and the lattice is provided by the atomic positions dependence of the magnetic potential. The novelty of this potential lies in the parameterization of the magnetic anisotropy which originates in the spin-orbit coupling. Using a dedicated pair model of anisotropy, the magnetostrictive constants of hcp-Co are restored. In a canonical system where pressure and temperature are controlled simultaneously, the transition of rotational magnetization of Co is found.Finally the magnetization reversals of super-paramagnetic Co nanodots is studied to quantify the impact of spin-lattice coupling respectively to recent measurements.