Abstract The distinctive advantage of magneto-electro-elastic (MEE) materials is their capability to convert energy among elastic, electric and magnetic fields. The multi-physical coupling characteristic of MEE material is affected by the hygrothermal environment. The current research on the MEE structure proprieties remains the use of deterministic finite element (FE) simulations. However, the limitations of FEM such as poor accuracy when using linear triangular/tetrahedral elements, auto-generate elements difficulty when using quadrilateral/hexahedral elements are obstacles to their researches on multi-physical characteristic of precision intelligent structures. Here we proposed the multi-physical cell-based smoothed finite element method (MCS-FEM), a superior calculation in which the strain smoothing technique is utilized. The method is well applied to explore the multi-physical coupling problems. Numerical experiments explored the accuracy, convergence and efficiency of the MCS-FEM. The hygrothermal impacts on the MEE structures were demonstrated by presenting the variation of generalized displacements (x- and z-direction displacement components, electric and magnetic potential). The influences of temperature and moisture dependent elastic stiffness coefficients, boundary condition and structural configuration on MEE structure performance were analyzed. We expect that the methods and simulation results in this paper will benefit future research in investigating the coupled multi-physical problem, and contribute to the design of intelligence structures in service.

中文翻译：

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基于多物理单元的光滑有限元方法研究湿热环境下磁电弹性材料的静态行为

摘要 磁电弹性（MEE）材料的独特优势在于它们能够在弹性场、电场和磁场之间转换能量。MEE材料的多物理耦合特性受湿热环境的影响。目前对 MEE 结构特性的研究仍然使用确定性有限元 (FE) 模拟。然而，有限元法的局限性，如使用线性三角/四面体单元时精度差，使用四边形/六面体单元时自动生成单元困难，是他们研究精密智能结构多物理特性的障碍。在这里，我们提出了基于多物理单元的平滑有限元方法 (MCS-FEM)，这是一种利用应变平滑技术的高级计算。该方法很好地应用于探索多物理耦合问题。数值实验探索了 MCS-FEM 的准确性、收敛性和效率。通过呈现广义位移（x 和 z 方向位移分量、电势和磁势）的变化，证明了湿热对 MEE 结构的影响。分析了温度和湿度相关的弹性刚度系数、边界条件和结构配置对MEE结构性能的影响。我们期望本文的方法和仿真结果将有利于未来研究耦合多物理问题的研究，并为服役中的智能结构设计做出贡献。MCS-FEM 的收敛性和效率。通过呈现广义位移（x 和 z 方向位移分量、电势和磁势）的变化，证明了湿热对 MEE 结构的影响。分析了温度和湿度相关的弹性刚度系数、边界条件和结构配置对MEE结构性能的影响。我们期望本文的方法和仿真结果将有利于未来研究耦合多物理问题的研究，并为服役中的智能结构设计做出贡献。MCS-FEM 的收敛性和效率。通过呈现广义位移（x 和 z 方向位移分量、电势和磁势）的变化，证明了湿热对 MEE 结构的影响。分析了温度和湿度相关的弹性刚度系数、边界条件和结构配置对MEE结构性能的影响。我们期望本文的方法和仿真结果将有利于未来研究耦合多物理问题的研究，并为服役中的智能结构设计做出贡献。电势和磁势）。分析了温度和湿度相关的弹性刚度系数、边界条件和结构配置对MEE结构性能的影响。我们期望本文的方法和仿真结果将有利于未来研究耦合多物理问题的研究，并为服役中的智能结构设计做出贡献。电势和磁势）。分析了温度和湿度相关的弹性刚度系数、边界条件和结构配置对MEE结构性能的影响。我们期望本文的方法和仿真结果将有利于未来研究耦合多物理问题的研究，并为服役中的智能结构设计做出贡献。