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。     

三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.      

压电材料V型切口端电弹场奇异性的实验研究

考虑了由电场和应力集中而引发的压电材料切口端的奇异性问题。通过云纹干涉法测量机电耦合载荷作用下三点弯试验中V形切口尖端的变形场,并利用该结果近似确定切口尖端的占主导地位的奇异性指数。结果表明:正电场使切口张开,切口端的奇异性指数随着切口角度的增大而下降。该结果与有限元法的计算结果定性相符,说明云纹干涉法能够用于判断切口端奇异性状况。     

ANALYSIS OF 3-D NOTCHED/CRACKED STRUCTURES BY USING EXTENDED BOUNDARY ELEMENT METHOD 1)

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.     

压电切口张开角和深度对其尖端力电损伤场的影响

基于三维各向异性压电损伤本构理论,导出了广义平面应力问题的损伤本构方程,并据此分析了压电薄板板边V形切口尖端附近的力电损伤,研究了切口张开角和深度对切口尖端力电损伤的影响规律．结果发现：和张开角对切口尖端损伤的影响相比,深度的影响更为明显;在张开角对切口尖端力损伤的影响规律方面,压电材料与一般弹塑性材料存在明显差异,原因在于压电切口尖端力电载荷比会随着深度的改变发生很大变化;不同深度下张开角与切口尖端力、电损伤关系曲线随着张开角的增大由发散逐渐会聚,不同张开角下深度与切口尖端力、电损伤关系曲线随着切口加深由会聚逐渐发散,并且电损伤曲线表现得更为明显．     

含币形裂纹的压电体在点力和点电荷作用下的裂纹张开位移

本文利用Chen和Shioya给出的在横观各向同性压电无限体内币形裂纹上下表面作用对称法向点力和点电荷情形下的解,结合压电材料之功的互等定,用初等函数的形式给出了在压电无限体中任意一点作用任意点力和点电荷情形下币形裂纹的张开位移,并对PZT－4压电陶瓷和非压电材料作了计算分析。     

插值矩阵法分析与复合材料界面相交的平面裂纹奇异应力场

提出了用插值矩阵法分析与各向异性材料界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于V形切口尖端附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内与复合材料界面相交的裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了平面内各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

力电耦合扩展无网格伽辽金法在压电柔性臂断裂分析中的研究

为提高含裂纹压电柔性臂在断裂分析中的求解精度,基于压电材料断裂力学理论,建立了压电柔性臂的力学分析模型。将描述裂纹尖端奇异性的位移场函数和电场函数引入到传统无网格伽辽金法中,提出了力电耦合扩展无网格伽辽金法。与传统无网格伽辽金法相比,本方法只需要较小的影响域来描述裂尖奇异场,并且节点影响域不会被裂纹线影响,不要可视准则和衍射准则,提高了计算精度。由虚拟裂纹闭合法推导了压电材料能量释放率,讨论了不同高斯点密度对强计算结果的影响。与解析解、有限元法的计算结果进行了比较,在高斯点个数为6×6时,扩展无网格伽辽金法的计算误差为1.88%,明显好于有限元的计算误差2.5%。数值算例结果表明本方法具有较高的计算精度。     

基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究

建立了含裂纹损伤的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型. 基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件, 求解了含裂纹损伤的压电曲梁的格林函数. 根据线性叠加原理, 对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦, 得到强迫振动下含裂纹损伤的曲梁压电俘能器的输出电压. 在得到模型的强迫振动解析解后, 提出逆方法检测结构中的裂纹损伤, 这一检测方法适用于处于振动状态下的结构. 在数值计算中, 令裂纹深度为零, 通过对比本文的解析解与现有文献中的解析解, 验证了本文解的有效性. 分别分析了含裂纹损伤的压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系. 研究结果表明: 裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂; 裂纹出现时, 损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率, 此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值; 通过对电压响应的检测可以确定的损伤裂纹的深度和在结构中出现的位置范围; 利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的.      

含刚性线夹杂及裂纹的各向异性压电材料耦合场分析

采用各向异性弹性力学中Ｓｔｒｏｈ方法对含刚性线夹杂及裂纹的无限大各向异性压电材料耦合的弹性场和电场进行了分析。并得到夹杂和基体界面间耦合场的实型显函表达式及夹杂尖端的１／２阶奇异性。     

压电材料反平面切口奇性指数分析

为理解压电材料反平面切口尖端奇异状态,提出了一种切口奇性特征分析法.基于切口根部位移场幂级数渐近展开假设,从应力平衡方程和电荷守恒条件出发,导出了关于压电材料反平面切口奇性指数的特征微分方程组,并将切口的力电学边界条件以及界面协调条件表达为奇性指数和特征角函数的组合.从而,压电材料切口反平面奇性指数的计算被转化为相应边界条件下常微分方程组特征值的求解问题,采用插值矩阵法可以计算出各阶奇性指数和相应的特征角函数.该法既适合裂纹奇性分析,也可用于单、双材料切口的奇性计算,并避免了用迭代法求解超越方程的不足.因而具有适应性强的特点.计算发现,压电材料反平面切口存在两个奇性指数,切口的奇异性程度随着开角的增大而增强.     

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能,石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下,对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误,则其层间应力过大可能导致层间失效.因此,论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型,用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外,还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

反平面V形切口塑性应力奇异性分析

论文提出了用插值矩阵法计算幂硬化塑性材料反平面V形切口和裂纹尖端区域的应力奇异性.首先在切口和裂纹尖端区域采用自尖端径向度量的渐近位移场假设,将其代入塑性全量理论的基本微分方程后,推导出包含应力奇异性特征指数和特征角函数的非线性常微分方程特征值问题.然后采用插值矩阵法迭代求解导出的控制方程,得到一般的塑性材料反平面V形切口和裂纹的前若干阶应力奇异阶和相应的特征角函数,该法的重要优点是以上求解的特征角函数和它们各阶导函数具有同阶精度,并且一次性地求出前若干阶特征对.同时,插值矩阵法计算量小,易于和其他方法联合使用,这些优点在后续求解尖端区域完全应力场非常优越.论文方法的计算结果与现有结果对照,发现吻合良好,表明了论文方法的有效性.     

压电材料平面应力状态的直线裂纹问题一般解

研究了含直线裂纹系的压电材料平面应力问题单个裂纹和双裂纹问题的封闭解答表明，在裂纹尖端，应力、电场强度和电位移有１／２阶的奇异性并与前人结果比较了产生电场奇异性的物理因素     

Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口脆断准则

基于最大周向应力和Seweryn-Novozhilov准则,用线弹性奇异应力场,给出Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口的脆性断裂准则;并把裂纹作为切口张角为零的V形切口,这样就把V形切口问题与裂纹问题的断裂准则统一起来.为了验证该准则,本文采用有机玻璃板材加工多种V形切口试件进行了拉伸实验;同时,应用该准则对文献[16]中复合载荷下双边切口试件进行了起裂方向和临界载荷预测,并与其实验结果相比较.结果表明,本文所给出的Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口脆性断裂准则与实验是相吻合的,适合于实际工程应用。     

功能梯度压电板条中电绝缘型运动裂纹的电弹性场

基于三维弹性理论和压电理论，对材料系数按指数函数规律分布的功能梯度压电板条中的反平面运动裂纹问题进行了求解。利用Fourier积分变换方法将电绝缘型运动裂纹问题化为对偶积分方程，并进一步归结为易于求解的第二类Fredholm积分方程。通过渐近分析，获得了裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解，给出了裂纹尖端场各个变量的角分布函数，并求得了裂纹尖端场的强度因子，分析了压电材料物性梯度参数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响。结果表明，对于电绝缘型裂纹，功能梯度压电板条中运动裂纹尖端附近的各个场变量都具有-1／2阶的奇异性；当裂纹运动速度增大时，裂纹扩展的方向会偏离裂纹面。     

压电材料平面应力状态的直线裂纹问题一般解

研究了含直线裂纹系的压电材料平面应力问题单个裂纹和双裂纹问题的封闭解答表明，在裂纹尖端，应力、电场强度和电位移有１／２阶的奇异性并与前人结果比较了产生电场奇异性的物理因素     

与界面垂直相交V形切口的边界元分析方法

建立了边界元法计算各向同性结合材料中与界面垂直相交V形切口奇异应力场的分析方法。首先将V形切口尖端附近区域的位移场和应力场用Williams渐近展开式表达,将其代入弹性力学基本方程中,由插值矩阵法获得应力奇异性指数及其对应的位移函数;然后在V形切口尖端区域挖取一个小扇形域,将该扇形区域的位移场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,并对挖去小扇形域后的剩余结构建立边界积分方程;最后将扇形区域位移场表达式和边界积分方程联合求出其切口尖端位移场的组合系数,从而获得各向同性结合材料中与界面垂直相交V形切口尖端的应力强度因子。本文的计算结果与现有结果对比吻合良好,表明了本文方法的有效性。     

压电薄板切口尖端前沿力电损伤场分析

基于Yang等建立的三维各向异性压电损伤本构模型,给出了广义平面应力压电损伤问题的本构方程和有限元平衡方程,运用有限元方法分析了张开角和深度对切口前沿力电损伤分布的影响规律。结果表明,张开角对力损伤的影响较小,并且几乎不改变力电损伤的区域尺寸,但是深度对力电损伤的大小和区域尺寸都有很大的影响。     

压电材料反平面裂纹自相似扩展分析

通过对耦合的波动方程和方程解耦,用自模拟方法研究了压电材料中反平面裂纹的自相似扩展问题。研究表明：对反平面问题,介质内的耦合场与裂纹扩展速度有关,在裂纹尖端有r^-1/2阶的奇异性;动态应力强度因子与电位称载荷有关,与静态结论不同;电位移强度因子与机械载 荷无关,与静态结果的表达形式一致。