压电材料V型切口端部电弹性场研究

通过广义Hellinger-Reissner变分原理导出了一个环绕V型切口端部邻域的超级奇异单元,并将其与全域压电杂交元结合,建立了一种新型数值求解压电材料切口端部奇异电弹性场的杂交元模型.为了验证该模型的有效性,以含V型切口的三点弯曲试件为例,首先用杂交元数值模型计算了切口端部的广义应力强度因子及其延长向上的应变分布,然后与用云纹干涉实验法测定的相应实验结果相比较,比较结果表明:两者吻合良好.     

压电材料三维V形切口端部力电耦合奇异场分析

对于压电材料元器件,往往由于裂纹/切口而导致结构存在应力奇异性和电奇异性的现象。本文主要研究压电材料在力电耦合情形下的三维柱向V形切口问题。针对压电材料,结合Maxwell方程和Williams渐近展开式,推导并建立了三维柱向V形切口在力电耦合情形下的特征微分方程组,并采用插值矩阵法获得了其在不同边界条件下的奇性指数,算例表明,本文方法具有良好的计算精度。本文方法也适用于裂纹尖端的奇异性分析,且具有程序操作方便,前处理工作量小等优点。     

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。     

压电与导体双材料接头力电耦合场奇异性分析

将接头端部位移场和电势场的渐近展开式的典型项代入弹性力学的基本方程,得到关于压电与导体双材料接头力电耦合场奇性指数的一组变系数常微分方程的特征值问题;采用插值矩阵法一次性地计算出压电与导体双材料接头的各阶奇性指数及其相应的位移和电势特征角函数。数值算例表明:本文方法的计算结果与现有结果对比,最大相对误差不超过2.3938%,证明了本文方法的有效性和较高的计算精度;压电与导体双材料接头在异质材料黏结处位移特征角函数和电势特征角函数是连续的,而其一阶导函数发生突变。因此,压电与导体双材料接头异质材料黏结位置的位移场和电势场连续,而应力和电位移不相等,这是导致接头失效和破坏的原因之一。     

压电材料平面裂纹尖端场的杂交应力有限元分析

基于复势理论和杂交变分原理建立了一种适用于力电耦合分析的杂交应力有限元模 型. 给出了建立刚度矩阵的主要公式和推导过程，单元内的位移场和应力场采用满足平 衡方程的复变函数级数解，假设的复变函数级数解事先精确满足裂纹的无应力和电位移法向 分量为零的条件，单元外边界的位移场假设按抛物线变化, 单元的刚度矩阵采用Gauss积分的方法得出. 通过对力电耦合裂尖场的数值计算验证了程序 的正确性和单元的有效性，同时也用所得结果校验了理论解.     

压电材料椭圆夹杂界面开裂问题的电弹性耦合解

本文研究了在反平面剪切和面内电场的共同作用下，压电材料椭圆夹杂的界面开裂问题，假定夹杂是刚性的导体，采用复变函数保角变换和级数展开方法，可确定压电材料基体的复势表达式，进而求得夹杂界面开裂的电弹性耦合的能量释放率。     

压电材料椭圆切口的力学分析

在线性压电本构方程框架下，用复势函数方法对椭圆切口模型进行了精确的数值计算。完整地考虑了各向异性力电耦合效应以及切口内不同电介质的介电性质。给出了切口内部不同介电性质对压电材料内部应力的影响。指出了Sosa文章里的一些计算错误。由于现在文献中很少有关于电导通边界条件下理论解的数值结果，所以本文同时提供了不同电边界条件下理论解的数值结果，所以本文同时提供了不同电边界条件下的理论解的数值结果。最后通过最小势能原理建立了8结点有限元模型，对椭圆切口问题进行了计算并与理论解进行了仔细比较。     

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.     

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。     

平面问题中弹性压电材料的本构关系及应用

本文在三维压电材料本构方程的基础上,推导出二维压电材料的机电耦合方程系统,并分析了受轴向力,弯矩作用时的位移和电势分布情况。     

受热载荷两相材料界面端应力场的新型有限元分析

基于一种特殊有限元特征分析方法获得两相材料界面端奇异性应力和位移场数值特征解,据此开发了一种新型超级单元模型,用于分析热机耦合载荷作用下两相材料界面端的应力场.与机械载荷作用下超级单元模型的区别在于,该模型在能量泛函中考虑了热机耦合的影响,将应力场分为奇异项和非奇异项,而奇异性项又可分解为热致部分和力致部分.模型的有效性通过了经验解和传统有限元方法的验证;模型可以避免在界面端邻域网格高度加密,提高了计算速度,对于分析多奇异性点应力干涉问题有重要意义.     

压电智能结构有限变形下热-机耦合的有限元分析

采用有限元方法研究了结构在热载荷作用下变形与热传导之间的耦合特性.分析表明,结构变形较小,非线性效应很弱时,变形对材料的热传导系数影响很小,对结构的温度分布几乎没有影响;当变形增大,非线性效应增强时,变形对材料的热传导特性影响显著,热载荷作用下结构的温度变化和变形与现行不考虑热-机耦合效应所得结果产生明显差异.因此,为实现压电智能结构形状(振动)的精确控制,分析及实施控制时须考虑热-机耦合及变形对热传导系数的影响.     

压电板屈曲和后屈曲的有限元分析

采用板的一阶剪切理论,并考虑结构的几何非线性,基于Total Lagrange方法,建立了在弱非线性耦合假设下压电智能结构的有限元控制方程.分析了不同边界条件下压电板的屈曲和后屈曲.计算结果表明,在单向压力作用下,材料的压电效应和外加电压对板的屈曲载荷及后屈曲影响很小;而电场对位移加载简支板的屈曲影响较显著.该文为压电材料的工程应用提供了理论指导,同时提供了一种有效的有限元分析方法.     

裂纹尖端附近三维效应区的有限元分析

基于Kane-Mindlin关于弹性平板面内问题位移的运动学假设,本文首次推导了一种考虑板厚效应的平板面内问题的有限元格式。将Kane-Mindl.n假设推广到弹塑性问题,推导了相应的有限元方程.对双边及中心裂纹拉伸试件的计算结果表明,裂纹尖端附近的弹性三维效应区尺寸和板厚相当.对线性硬化弹塑性材料,当切线模量E_t和弹性模量E之比E_t/E大于0.2时,三维效应区在两倍板厚以内.     

压电薄板屈曲有限元分析及DKQ单元

在机电耦合本构方程基础上,利用Hamilton原理推导了压电薄板屈曲分析的有限元特征方程和机电耦合的内力计算公式,在有限元实现中选择了基于Kirchhoff薄板假定的四边形薄板单元（DKQ单元）,并给出该单元的几何刚度阵及其数值积分方法。在大型通用有限元分析和优化设计软件系统JIFEX中实现了该方法。给出的数值验证了DKQ单元在屈曲分析和压电薄板静力分析中具有较高精度和收敛性,通过机械荷载和电荷载联合作用下的临界荷载计算,表明压电耦合效应能够影响结构的稳定性,可以通过改变外加电压对结构稳定性进行控制。     

铜三晶体弹性应力场和主滑移系分解切应力的有限元分析

用三维各向异性有限元法,对铜三晶体在拉伸载荷作用下的弹性应力集中特性和各组元晶体主滑移系上的切应力变化进行了计算分析,得到了与实验较为一致的结果,为进一步分析三晶体的循环塑性变形提供了依据.     

属性与温度相关材料的广义热弹性问题有限元分析

计及材料特性与温度的相关性,基于Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,建立了此类问题的有限元控制方程. 由于材料属性的温度相关性,温度控制方程具有非线性,积分变换求解方法难以采用,因而将有限元方程直接在时间域求解. 利用所建立方法研究了材料特性与温度相关、带有孔洞的无限大体在热冲击和机械冲击作用下的广义热弹性问题. 分析表明,在时间域直接求解材料属性与温度相关的广义热弹性问题是可行的,所得结果具有很高的精度,热的波动性得到充分的展现. 同时发现,热冲击载荷作用时,材料属性与温度的相关性对结构的机械响应影响显著,对温度响应影响很小;机械载荷作用时,材料参数与温度的相关性对所有响应影响都很小. 因此,研究热冲击载荷作用的机械响应时,必须考虑材料属性的温度相关性,而研究温度响应时,无论何种冲击载荷,都可以不考虑材料属性的温度相关性.      

用不同模量有限元分析坝体应力和变形

探讨拉,压不同模量有限元法在重力坝应力,变形分析中的应用,利用该方法计算坝体裂缝,接触,稳定问题明显地提高了分析精度,本指出,给定拉伸时的弹性模量和泊松比是重要的可能的。在岩土力学,冰力学,陶瓷和塑料的力学分析中,使不同模量有限元法必定会有实际意义。     

THE EFFECTIVE ELECTROMECHANICAL PROPERTIES OF CELLULAR PIEZOELECTRET FILM:FINITE ELEMENT MODELING

Cellular space-charge polymer film,also called cellular piezoelectret,has very large piezoelectric effect due to their unique microvoid structure.In this article,the cellular piezoelectret film is considered to be a periodic composite material with closed-cell microvoids aligned periodically.Three dimensional finite element modeling is carried out to obtain the effective elastic modulus and piezoelectric coefficients.Sensitivity analysis was presented by modeling the effective electromechanical properties with different individual variable,including material constants and void shape parameters.By assuming a relation between void shape and void volume fraction,the finite element model can simulate quite well the inflation experiments of the voided charged Polypropylene film published in literature.Finally,the finite element model is used to explore the voided charge polymer film with non-uniform distribution of the trapped charges on the internal surface of voids.It was found that the resultant overall piezoelectric coefficients will be more significant if charges are closely gathered in the central area,and sparse in the around area of the internal surface of voids.     

缆索吊装系统有限元分析中的滑轮单元

为精确模拟结构中的滑轮,建立了滑轮支承一段索的单元,它考虑了滑轮的半径. 该``滑轮单元'的中间节点在滑轮的中心,另两个节点为索段位于滑轮两侧的端点. 新单元通过自动调整索在滑轮两侧的长度,使单元达到平衡状态. 单元算法的推导基于有限元分析的基本原理,并利用了处于平衡状态时单元内力之间的关系. 介绍新单元的推导过程,算例验证了它的正确性,并显示了其在含有滑轮索结构有限元分析中的高效性和方便性.