电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达；讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时，声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖；裂纹相对尺寸较小时，表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小；纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大；耦合系数一定时，无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响；随着声子场载荷的增大，无量纲能量释放率先减小后增加，最后趋于稳定；无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小，非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

磁电弹性体中纳米孔边任意位置贯穿裂纹的解析解

本文研究了反平面机械载荷、面内电载荷和面内磁载荷作用下磁电弹材料中含有纳米尺度孔边任意位置贯穿裂纹的Ⅲ型断裂力学性能.基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论考虑纳米缺陷(孔洞和裂纹)的表面效应,利用磁电弹理论和复变弹性理论获得了纳米缺陷表面为磁电不可通条件下磁电弹场的精确解,给出了贯穿裂纹两端裂尖的磁电弹场强因子的解析表达.所得结果与已有研究比较说明了本文方法的有效性.讨论了裂纹位置、裂纹相互作用与施加多物理场载荷对无量纲磁电弹场强因子的影响.结果表明：贯穿裂纹裂尖的无量纲磁电弹场强因子尺寸效应显著;缺陷表面效应对裂纹耦合尖端场的影响受裂纹位置的制约;无量纲磁电弹场强因子受贯穿裂纹两端的裂纹长度比与施加力电磁载荷的显著影响.     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

压电体中考虑表面效应时开裂孔洞的断裂特征

研究了反平面机械载荷和面内电载荷作用下压电体中考虑表面效应时孔边双裂纹问题的断裂特征。基于Gurtin-Murdoch表面理论模型，通过构造映射函数，利用复势电弹理论获得了应力场和电位移场的闭合解答。给出了裂纹尖端应力强度因子、电位移场强因子和能量释放率的解析解。讨论了开裂孔洞几何参数和施加力电载荷对电弹场强因子和能量释放率的影响。     

考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射技术,研究了远场作用反平面剪切载荷作用下考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能.给出了孔边应力场的精确解,获得了裂纹尖端应力强度因子的解析解答.数值算例中讨论了裂尖应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律.结果表明:当三角形孔的尺寸在纳米量级时,无量纲应力强度因子具有显著的尺寸效应;随着三角形孔尺寸的增大,论文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随孔边裂纹长度的增加,先增大而后减小;当孔边裂纹长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著.     

一维六方压电准晶三角形孔边裂纹反平面问题

通过引入合适的数值保角映射,利用Stroh型公式研究一维六方压电准晶中正三角形孔边裂纹的反平面问题,给出在电非渗透边界条件下三角形孔边裂纹尖端的场强度因子和能量释放率。通过数值算例,讨论场强度因子和能量释放率随缺陷几何尺寸和力电荷载的变化规律。结果表明:随孔边裂纹长度的增加,场强度因子先急剧增加后减小,并趋于定值1,正三角形孔洞的尺寸对其影响可忽略不计;声子场和相位子场机械载荷总是促进裂纹扩展,而电位移对裂纹的扩展极大地依赖于声子场和相位子场载荷的大小。     

考虑表面效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射,研究了远场反平面剪切载荷作用下考虑表面效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能。给出了孔边应力场解答,获得了裂纹尖端应力强度因子解析解答。数值算例讨论了应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律。结果表明：当三角形孔尺寸在在纳米量级时,无量纲应力强度因子受孔隙尺寸影响显著;随着三角形孔尺寸的增大,本文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随裂纹长度的增加,数值先增大而后减小;裂纹相对长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著。     

压电复合材料中正n边形孔边裂纹的反平面问题研究

本文基于Cauchy积分理论和Schwarz-Christoffel(SC)变换技术,针对压电复合材料中带一条裂纹的正n边形孔口缺陷的反平面断裂力学进行了探究．假设满足电不可通边界条件,利用Cauchy积分公式和留数定理,获得了任意正n边形裂尖处应力和电位移两个场强度因子以及全能量释放率的封闭形式的显式解．当正n边形边数取定时,所得解可退化为已有结果,以此验证方法的有效性．并通过数值算例,对比分析了n=3, n=4, n=5三种特殊情形对应的等效场强度因子和无量纲能量释放率与孔口边长、裂纹长度和受到的力、电载荷之间的曲线图．数值结果显示：正n边形孔洞的尺寸和裂纹长度均会促进裂纹扩展,且前者的影响更显著一些;正n边形边的数量增加会阻止裂纹的扩展;在电不可通边界条件下,机械载荷对裂纹的扩展始终贡献显著,电场对断裂行为的影响取决于机械载荷．本研究结果具有一般性,适用于任意正n边形孔边裂纹问题的求解,为压电复合材料元器件的优化设计和断裂特性分析提供了新思路．     

压电压磁材料中正n边形孔边裂纹分析

基于电磁复合材料力学,运用Stroh型公式和复变函数方法,针对压电压磁材料中含正n边形孔边裂纹反平面问题进行了研究。利用Schwarz-Christoffel变换技术,结合Cauchy积分公式和留数定理,导出了磁电全非渗透型边界条件下任意正n边形裂纹尖端场强度因子和能量释放率的解析解。当缺失磁场时,所得解退化为已有结果,以此验证方法的有效性。通过数值算例,对比分析了n=3,n=4和n=5三种特殊情形对应的孔口边长、裂纹长度和受到的力、电和磁载荷对等效场强度因子和无量纲能量释放率的影响规律。研究结果发现,正n边形孔洞的尺寸和裂纹长度均会促进裂纹扩展,且前者的影响更显著一些;正n边形边的数量增加会阻止裂纹的扩展;在磁电全非渗透型边界条件下,机械载荷始终促进裂纹的扩展,电位移载荷可以促进或抑制裂纹的扩展,磁载荷对裂纹的扩展贡献较少。本研究结果适用于任意正n边形孔边裂纹求解问题,为压电压磁材料元器件的优化设计和断裂特性分析提供了新思路。     

The mode III cracks originating from the edge of a circular hole in a piezoelectric solid

A mode III fracture problem of edge cracks originating from a circular hole in an infinite piezoelectric solid is studied based on complex variable method combined with the method of conformal mapping. Explicit and exact expressions for the complex potentials, field intensity factors and energy release rates are presented under the assumption that the surface of the cracks and hole is electrically impermeable. Numerical analysis is then conducted to discuss the influences of crack length and applied mechanical/electric loads on the field intensity factors and energy release rate for one and two edge cracks, respectively. It is found that for the case of a single edge crack, the field intensity factors are greater than those of double edge cracks, and moreover the electric loads can either promote or retard crack growth, depending on the magnitude and direction of the applied electric loads.     

Closed-form solution for a piezoelectric strip with two collinear cracks normal to the strip boundaries

The problem of two collinear cracks of equal length and normal to the strip boundaries in an infinitely long piezoelectric strip of finite width is analyzed. By using the Fourier series method, the mixed boundary value problem is reduced to triple series equations, which are then transformed to a singular integral equation. For four combined cases of uniform antiplane shear and uniform inplane electric loading at infinity, the solution is obtained in closed-form, and explicit expressions for the electroelastic field are determined. The formulae for calculating the intensity factors of the electroelastic field and the energy release rate at the inner and outer crack tips are given, respectively. Some special cases for the electroelastic field intensity factors and the energy release rate of the present results are discussed.     

Closed form solution for two unequal collinear semi-permeable straight cracks in a piezoelectric media

The problem of two unequal collinear straight cracks weakening a poled transversely isotropic piezoelectric ceramic is addressed under semi-permeable electric boundary conditions on the crack faces. The plate has been subjected to combined in-plane normal(to the faces of the cracks) mechanical and electric loads. Problem is formulated employing Stroh formalism and solved using complex variable technique. The elastic field, electric field and energy release rate are obtained in closed analytic form. A case study is presented for poled PZT-5H cracked plate to study the effect of prescribed mechanical load, electric load, inter-crack distance and crack lengths on crack arrest parameters stress intensity factor (SIF), electric displacement intensity factor (EDIF) and mechanical and total energy release rates (ERR). Moreover a comparative study is done of impermeable and semi-permeable crack face boundary conditions on SIF, EDIF and ERR, and results obtained is presented graphically. It is observed that the effect of dielectric medium in the crack gap cannot be ignored.     

压电压磁复合材料中正六边形孔边裂纹的反平面断裂问题

基于线性磁电弹性理论,利用Schwarz-Christoffel(CS)变换技术和Stroth公式,首次系统研究了压电压磁复合材料中含带两个不对称裂纹的正六边形孔口问题在部分渗透磁电边界条件下的解析解.当忽略磁场时,磁电非渗透裂纹和磁电渗透裂纹两种极端情况下的解析解答可退化为文献已有研究结果.数值结果揭示了正六边形孔口尺寸、裂纹长度以及力电载荷和磁载荷对能量释放率的影响规律.研究结果表明：减小孔口边长和裂纹长度可以提高材料的可靠性;机械载荷总是促进裂纹扩展;在磁电非渗透和磁电部分渗透边界条件下,负电场和负磁场会延缓裂纹的扩展,而正电场可以增强或阻碍裂纹的扩展,这取决于所施加的电场和磁场的强度以及机械载荷的水平;在磁电渗透边界条件下,电场和磁场对裂纹的扩展没有影响.