刚性圆形压头作用下热电材料半平面的无摩擦接触问题

热电材料可以将热能转化为电能,反之亦然,这一优良的性质将有助于研发更具成本效益的设备和器件。本文研究了刚性圆形压头作用在热电材料半平面的无摩擦接触问题。假定压头为电导体、热导体,且压头压入深度及与材料的接触区域宽度未知。首先求解电场和温度场,利用傅里叶变换得到了电势函数、温度、电流密度和能量通量的解析表达式。然后求解弹性场,利用积分变换和边界条件,将该热弹性接触问题转化为第一类奇异积分方程并数值求解。数值结果讨论了压头半径和热电载荷对法向接触应力、电流强度因子和能量通量强度因子的影响。结果表明,对于圆压头,热电材料的法向电流密度、法向能量通量在接触边缘表现出奇异性,而表面法向接触应力在接触边缘为零。本文建立的研究模型有助于更深层次的了解热电材料的接触行为。     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为π型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到100 W/(m~2·°C)时,效率为0.047 9,该值比绝热状态的转化效率0.066 7低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.     

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．     

弹性功能梯度材料板条中周期裂纹的反平面问题

讨论了弹性功能梯度材料板条中裂纹的反平面问题. 用Fourier 变换方法得到了一个基本解. 这个基本解表示了实轴上一点作用有点位错时引起的影响. 利 用此基本解可得单裂纹和周期裂纹问题的奇异积分方程. 在周期裂纹求解时, 远处裂纹对于中央裂纹的影响作了有效的近似处理. 最后, 给出了数值结果, 它表示了材料性质对于裂纹端应力强度因子的影响.     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.      

正交弹性材料中双周期裂纹反平面问题的封闭解

研究了无限大正交弹性材料中含双周期裂纹的反平面问题,其基本胞元含有三条裂纹,且三条裂纹的中心恰好位于一等腰三角形顶点。运用椭圆函数、保角变换理论、施瓦兹公式获得了该问题应力场的封闭解,并得到了裂纹尖端处的应力强度因子。该问题结果取特殊情形退化对应于单排共线周期裂纹的解答。通过数值算例,分析了双周期裂纹归一化的应力强度因子随双周期裂纹的横向间距和纵向间距之比/b a 分别取10、5、2、1时的变化曲线。结果表明：对于一定的横向间距,应力奇异因子随纵向间距的增大而减小,但随着纵向间距的增大,纵向间距对应力奇异因子的影响变得不明显;对于一定的纵向间距,应力奇异因子随横向间距的减小而减小,但随着横向间距的减小,横向间距对应力奇异因子的影响变得不明显。     

各向异性双材料界面裂纹扩展裂尖场

应用界面断裂力学理论和Stroh方法,研究了广义平面变形下动态裂纹沿着各向异性双材料界面扩展时的裂尖奇异应力及动态应力强度因子.双材料界面的动态裂尖区域特性主要由两个实矩阵W和D确定,且裂尖奇异应力和动态应力强度因子可以由包含这两个矩阵的柯西奇异积分方程确定,同时给出了动态应力强度因子和能量释放率的显示表达式.算例得出当裂纹以小速度扩展时,裂尖振荡因子ε与静态时几乎相同,当界面裂纹扩展速度接近瑞利波速时,ε趋于无穷大;同时得出应力强度因子及能量释放率随裂纹扩展速度的变化关系.     

功能梯度压电带中裂纹对SH波的散射

研究功能梯度压电带中裂纹对SH波的散射问题,为了便于分析,材料性质假定为指数模型,并假设裂纹面上的边界条件为电渗透型的.根据压电理论得到压电体的状态方程,利用Fourier积分变换,问题转化为对偶积分方程的求解.用Copson方法求解积分方程.求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子的解析表达式,最后数值结果显示了标准动应力强度因子与入射波数、材料参数、带宽、波数以及入射角之间的关系.     

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.     

一维准晶功能梯度层合圆柱壳热电弹性精确解

两种或多种不同性质材料组成的层状结构可以满足工业发展的需求.然而,材料属性在接触面的突变问题,容易导致层间界面处产生应力集中、裂纹以及分层等问题.功能梯度材料利用连续变化的组分梯度来代替突变界面,可以消除界面处的物理性能突变,提高结构的粘结强度.本文以一维准晶功能梯度层合圆柱壳为研究对象,利用类Stroh公式和传递矩阵方法,建立了材料参数沿径向呈现幂函数变化的层合圆柱壳模型,获得了简支边界条件对应的一维准晶功能梯度层合圆柱壳的热电弹性精确解.数值算例中讨论了层合圆柱壳内外表面承受温度载荷时,功能梯度指数因子对温度场、电场、声子场和相位子场的影响,尤其是对层合圆柱壳内外表面的影响.结果表明,指数因子改变了材料参数的空间分布情况,进而对温度场、电场、声子场和相位子场都有影响;增加功能梯度指数因子,可减小温度载荷引起的内表面变形,进而提升结构强度.本文得到的结果可以为功能梯度准晶层合圆柱壳的设计和制造提供可靠的理论依据.     

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。     

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。     

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。     

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.     

Thermoelectric field for a coated hole of arbitrary shape in a nonlinearly coupled thermoelectric material

We study the thermoelectric field for an electrically and thermally insulated coated hole of arbitrary shape embedded in an infinite nonlinearly coupled thermoelectric material subject to uniform remote electric current density and uniform remote energy flux. A conformal mapping function for the coating and matrix is introduced, which simultaneously maps the hole boundary and the coating-matrix interface onto two concentric circles in the image plane. Using analytic continuation, we derive a general solution in terms of two auxiliary functions. The general solution satisfies the insulating conditions along the hole boundary and all of the continuity conditions across the perfect coating-matrix interface. Once the two auxiliary functions have been obtained in the elementary-form, the four original analytic functions in the coating and matrix characterizing the thermoelectric fields are completely and explicitly determined. The design of a neutral coated circular hole that does not disturb the prescribed thermoelectric field in the thermoelectric matrix is achieved when the relative thickness parameter and the two mismatch parameters satisfy a simple condition. Finally, the neutrality of a coated circular thermoelectric inhomogeneity is also accomplished.     

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。     

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。     

Crack spacing effect for a piezoelectric cylinder under electro-mechanical loading or transient heating

This paper investigates the fracture problem of a piezoelectric cylinder with a periodic array of embedded circular cracks. An electro-mechanical fracture mechanics model is established first. The model is further used to the thermal fracture analysis of a piezoelectric cylinder subjected to a sudden heating on its outer surface. The temperature field and the associated thermal stresses and electric displacements are obtained and are added to the crack surface to form a mixed-mode boundary value problem for the electro-mechanical coupling fracture. The stress and stress intensities are investigated for the effect of crack spacing. Strength evaluation of piezoelectric materials under the transient thermal environment is made and thermal shock resistance of the medium is given.     

The mode III cracks emanating from an elliptical hole in the piezo-electro-magneto-elastic materials

The mode III crack problem in a medium possessing coupled electro-magneto-elastic is considered. Two asymmetrical edge cracks emanate from an elliptical hole. Combined stress, electric and magnetic loads are considered. The elliptical hole and cracks are assumed to be either magneto-electrically impermeable or permeable. The closed-form solution for stress, electric and magnetic intensity factors are derived explicitly. Also the solution for energy release rate is given in closed form. The solution is based on the complex variable method combined with the method of conformal mapping. Numerical computations are given to illustrate the effect of variable geometrical and material parameters on stress, electric and magnetic intensity factors and energy release rate.