一维六方准晶压电材料中唇形裂纹反平面问题的解析解

本文在准晶压电材料基本方程的基础上,根据点群的对称性和一维六方准晶的线性压电效应,导出了一维六方准晶压电材料反平面问题的控制方程.利用复变函数的方法,通过引入适当的保角映射,研究了准晶压电材料中唇形裂纹的反平面问题,并利用Cauchy积分理论,得到在电不可通边界条件下的裂纹尖端场强度因子与机械应变能释放率的解析表达式.     

一维六方准晶压电材料中多缺陷的相互作用

基于准晶压电材料的基本方程,利用解析函数理论和复变方法,研究了一维六方准晶压电材料中多缺陷的相互作用问题,建立了多条平行位错以及它们与半无限裂纹相互作用的断裂力学模型,给出了一维六方准晶压电材料中n条平行位错相互作用的Peach-Koehler公式和n条平行位错的等效作用点,得到了n条平行位错与半无限裂纹相互作用下电弹性场的解析解,为讨论裂纹尖端的位错发射、位错屏蔽和裂纹钝化奠定了理论基础. 这些结果均为本文首次给出,丰富和发展了经典弹性理论中的相应结果.     

压电效应下一维六方准晶双材料孔边裂纹的反平面问题研究

利用复变函数方法和保角变换技术研究了压电效应下一维六方准晶双材料中圆孔边单裂纹的反平面问题．考虑电不可渗透型边界条件,运用保角变换和Stroh公式得到了弹性体受远场剪切力和面内电载荷作用下裂纹尖端应力强度因子和能量释放率的解析解. 数值算例分析了几何参数、远场受力、电位移载荷对能量释放率的影响．结果表明：裂纹长度、耦合系数和远场剪切力的减小可以抑制裂纹的扩展．不考虑电场时,声子场应力对能量释放率的影响较小．本文的研究结果可作为研究一维六方压电准晶双材料孔边裂纹问题的理论基础,同时为压电准晶及其复合材料的设计、制备、优化和性能评估提供理论依据．     

点群6mm一维六方准晶压电材料中含螺型位错的电弹性场分析

根据点群6mm一维六方准晶压电材料反平面问题的一般方程,得到其含螺型位错时应力场和电场的解析解。利用复变函数的方法,得出材料中裂纹与螺型位错在相互作用时的应力场解析表达式,所得到的解析解可以退化为已知材料的理论解。通过数值算例表明:离螺型位错越近,力场和电场值越小,反之越大。通过研究螺形位错与裂纹的相互作用为讨论一维六方准晶压电材料的裂纹顶端发射位错和裂纹钝化奠定了理论基础。     

含双周期裂纹的一维六方准晶电弹性全平面应变基本问题

针对电极化方向沿准周期方向的情况,讨论了周期平面内含双周期裂纹的一维六方准晶的电弹性全平面应变第一基本问题和第二基本问题。根据力的叠加原理,将三维的应力系统分解为线性独立的两组二维应力状态;运用复应力函数方法将弹性平衡状态的求解归结为求解正则型积分方程,并证明了其唯一可解性。结果表明:一维六方准晶双周期断裂问题在广义双周期边界条件下的力学解是存在并且唯一的。此结果为运用各种方法研究该基本问题的正确性和一致性提供了理论保证。     

压电材料反平面III型裂纹电塑性区的分析

本文对反平面III型裂纹电塑性区进行了分析。采用条带模型得到了电塑性区大小的表达式。对于电塑性区的边界条件采用了两种处理方式,一是采用机械位移连续性边界条件,另一种是假设电塑性区的切应力保持为常数的假设。其中后一种处理方式消除了电场和应力在裂纹尖端的奇异性,与实际情况相符合。两种处理方式得到了相同的电塑性区的大小的表达式,并根据两种处理方式计算了能量释放率。类比Irwin的应力松弛模型,本文采用电位移松弛模型同样得到了电塑性区的大小。将条带模型得到的结果与电位移松弛模型得到的结果进行比较发现,在小范围塑性变形条件下,两种方法所得的结果比较接近,从而说明这两种方法的有效性,得到了比较满意的结果。     

压电材料裂纹顶端条状电饱和区 模型的力学分析1)

在线性压电本构方程框架下,对裂纹顶端条状电饱和区模型进行了严格的数学分析.完整地考虑了各向异性力电耦合效应.建立了电饱和区尺寸与外加电场的依赖关系.证实了当裂纹垂直极化轴时,压电材料的断裂应力随着外加正电场的增加而减小,随着外加负电场的增加而增加.当裂纹平行于极化轴时,与极化轴平行的外加电场对断裂应力无影响.     

层状压电陶瓷致动器中力电耦合场奇异性的数值分析

首先推导了不同压电材料界面裂纹尖端处的扇形区域内包含基本方程、裂纹面D-P边界条件和交界面处边界条件的弱形式。通过假设力电耦合位移场(位移和电势)与到裂纹尖端距离的(λ 1)次方成正比,可以得到一个分析压电材料裂纹尖端处力电耦合场奇异性的特殊的一维有限元列式。该一维有限元列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后的总体方程为一个关于λ的二次特征根方程。探讨了层状压电陶瓷致动器中可能出现奇异力电耦合场的部位的裂纹面边界条件及交界面处边界条件,进而将该一维有限元法进行推广,用于研究了这些部位的力电耦合场的奇异性。通过数值算例与相应的精确解的比较表明该方法是正确的,而且仅用很少单元就可以得到非常精确的结果。     

功能梯度压电/压磁双材料的周期界面裂纹问题

研究反平面载荷作用下压电/压磁双材料的周期界面裂纹问题,压电/压磁双材料由有限厚度的功能梯度压电层和功能梯度压磁层粘结而成.为便于分析,假设压电层和压磁层的材料性质沿着裂纹的法线方向呈指数变化,基于分离变量和Hilbert核奇异积分方程方法,获得应力强度因子的数值解.数值算例讨论层厚、周期带长度、梯度参数以及材料参数变动等对应力强度因子的影响.结果发现层厚以及裂纹间距的增大会降低裂纹尖端应力强度因子,梯度参数的改变对应力强度因子也有显著的影响.材料参数变动的讨论发现弹性参数的变动对应力强度因子影响最大,其次为电参数,磁参数的变动对应力强度因子影响最小.     

SH波对一维六方准晶中直裂纹的散射

分析了SH波对一维六方准晶中直裂纹的散射问题。利用积分变换技术,结合Copson方法,通过求解对偶积分方程,得到声子场和相位子场应力、位移及裂纹尖端动应力强度因子的解析表达式。通过数值算例讨论了裂纹长度、入射角和入射波频率对标准动应力强度因子的影响,此研究在工程材料应用中有一定的参考价值。     

一维六方准晶弹性层合悬臂梁的解析解

本文利用一维六方准晶的平面本构关系,以及简化为平面问题的物理方程,在悬臂梁的弹性应力解的基础上,假设准晶层和弹性层的应力分布,求出了各自的位移表达式,再利用层间连续条件和放松的边界条件,推导出一维六方准晶层合悬臂梁仅在自由端受集中力作用下声子场和相位子场的位移解析解,为研究准晶涂层材料的力学性质提供参考。     

含直对称裂纹的一维六方压电准晶对SH波的散射Scattering of SH wave by a linear symmetric crack at one-dimensional piezoelectric hexagonal quasicrystals

利用积分变换技术,结合Copson方法,研究了含直线型对称裂纹的一维六方压电准晶对SH波的散射问题。通过求解对偶积分方程,得到声子场、相位子场应力、位移及电场电位移分量的解析解。定义了裂纹尖端应力强度因子及电位移强度因子,给出了电非渗透性条件下应力强度因子及电位移强度因子的解析解。此研究结果对压电准晶材料的工程应用有一定的理论价值。     

压电材料裂纹顶端条状电饱和区模型的力学分析

在线性压电本构方程框架下,对裂纹顶端条状电饱和区模型进行了严格的数学分析．完整地考虑了各向异性力电耦合效应．建立了电饱和区尺寸与外加电场的依赖关系．证实了当裂纹垂直极化轴时,压电材料的断裂应力随着外加正电场的增加而减小,随着外加负电场的增加而增加．当裂纹平行于极化轴时,与极化轴平行的外加电场对断裂应力无影响     

平板裂纹前缘三维效应区的弹性力学分析

本文利用Kane和Mindlin关于弹性乎板面内问题位移的基本假设及Fourier变换求解了无限大板的I型裂纹问题,得到了裂纹尖端应力位移场的渐近形式、应力强度因子随板厚的变化规律以及板厚对裂纹前缘三维效应区的影响.研究表明,对线性硬化材料,在塑性切线胰量不太小的情况下,线弹性分析的结果可近似适用于弹塑性材料.     

一维六方压电准晶对称条形体中共线双半无限快速传播裂纹的解析解

利用复变函数方法, 通过构造保角映射, 分析了一维六方压电准晶中对称条形体中共线双半无限快速传播裂纹的反平面问题, 给出了在电非渗透型与电渗透型两种情况下动态应力强度因子的解析解. 当速度趋于0时可退化为已有的对应的静力问题的解. 得到的解析解对准晶材料的工程应用中有一定的理论价值.     

压电材料裂纹顶端条状电饱和区模型的力学分析

在线性压电本构方程框架下,对裂纹顶端条状电饱和区模型进行了严格的数学分析．完整地考虑了各向异性力电耦合效应．建立了电饱和区尺寸与外加电场的依赖关系．证实了当裂纹垂直极化轴时,压电材料的断裂应力随着外加正电场的增加而减小,随着外加负电场的增加而增加．当裂纹平行于极化轴时,与极化轴平行的外加电场对断裂应力无影响     

蠕变硬化材料中Ⅱ型扩展裂纹尖端场特性研究

采用弹牯塑性力学模型,对蠕变硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了渐近分析.假设人工粘性系数与等效塑性应变率的幂次成反比,通过量级匹配表明应力和应变均具有幂奇异性,奇异性指数由粘性系数中等效塑性应变率的幂指数唯一确定.通过数值计算讨论了Ⅱ型准静态扩展裂纹尖端场的分区构造以及裂纹尖端应力和应变场的特性随各材料参数的变化规律,结果表明裂尖场由材料的粘性和塑性共同主导.当硬化系数为零时裂尖场可退化为相应的HR场.     

含唇口次生两不对称裂纹的一维六方压电准晶体的反平面剪切问题

利用复变函数法和Stroh算法研究了反平面载荷作用下一维六方准晶压电材料中唇口次生裂纹的断裂问题,首次构造了唇口次生两不对称裂纹的缺陷力学模型,推出了含唇口次生两不对称裂纹的无限大区域到单位圆外部区域的保角变换公式,得到了裂尖处的场强度因子和能量释放率的解析表达式.数值算例揭示了缺陷尺寸,特别是唇口高度和裂纹长度对场强度因子和能量释放率的影响.结果表明：增加裂纹两边的长度会促进裂纹的扩展,增加唇口的高度,会抑制裂纹的扩展.最后,在给定条件下,这些解析结果可以简化为其它的缺陷模型的解,比如唇口次生单裂纹和唇口次生两对称裂纹的解,同时还可以退化为经典的Griffith裂纹和唇口无次生裂纹的解,以上结果与理论分析的结论是一致的.     

一维六方准晶中星形静态裂纹和运动裂纹的解析解

利用复变函数方法研究了一维六方准晶中星形静态裂纹和运动裂纹的反平面剪切问题,得到了星形裂纹尖端处应力强度因子和动应力强度因子的解析解.当裂纹条数给定时,由此可得到直线裂纹,Griffith裂纹,共点均匀分布三裂纹,对称十字形裂纹,米字型裂纹(对称八裂纹)静力学和动力学问题的解析解.当k=4时,用数值算例讨论了声子场-相位子场耦合系数和裂纹运动速度对动应力强度因子的影响.当速度趋于0时,运动裂纹的解可以退化为静态裂纹的解.     

轴对称一维六方准晶圆柱的精化理论

将轴对称圆柱的精化分析推广到一维六方准晶中轴对称圆柱的研究当中。利用准调和函数的Bessel算子函数表示以及一维六方准晶中的通解,在不做任何预先假设的情况下,给出了一维六方准晶中轴对称圆柱的精化理论。首先,根据准调和函数的Bessel算子函数表示,利用三个一维待定函数,表示出声子场和相位子场的位移场和应力分量。再根据非齐次边界条件,推导出柱面受径向外载时的精化方程。通过舍弃高阶项,推导出了在径向方向受到柱面载荷的近似解。