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。     

温度变化对热压电介质裂纹尖端力电损伤的影响分析

由连续介质损伤力学的基本理论出发,引入力电损伤变量并建立了一个热压电介质断裂的损伤本构模型.再由虚功原理导出了求解这类含损伤的关于热力电耦合问题的有限元方程.通过数值计算,分析了温度改变对裂纹尖端力电损伤的影响规律.     

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。     

压电材料中切口/接头端部平面电弹性场奇异性有限元分析

为了对平面载荷作用下压电材料中切口或接头端部附近电弹性场奇异性问题进行分析,首先以应力平衡方程、Maxwell方程和和边界条件为基础,得到一种求解压电材料特征问题的弱式方程;其次,假定楔形切口或接头端部附近单元内位移和电势沿径向分布为指数形式,而周向方向分布则采用泡函数插值,将其代入弱式方程,建立一种只需对楔形切口或接头端部附近周边进行离散的一维简单有限元方法.压电材料的极化轴可以是任意方向.利用该有限元模型讨论了楔形切口角度、极化轴方向和边界条件对奇性场的影响.通过和其它特定情况下的现有解相比,证实了该文有限元数值方法的有效性,而且精度很高.     

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.      

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。     

COMBINED DAMAGE FRACTURE CRITERIA FOR PIEZOELECTRIC CERAMICS

Mechanical and electrical damages are introduced to study the fracture mechanics of piezoelectric ceramics in this paper. Two kinds of piezoelectric fracture criteria are established using the method of least squares combined with a damage analysis of the well-known piezoelectric fracture experiments of Park and Sun‘s. One is based on a linear combination of the mechanical and electrical damages and the other on their nonlinear combination. When the combined damage D is up to its critical value De, piezoelectric fracture occurs. It is found from the qualitative comparison of the numerical results with the experimental data that the nonlinearly combined damage fracture criterion can give a better prediction of piezoelectric fracture. And it is concluded from the nonlinearly combined damage fracture criterion that a negative electric field impedes fracture whereas the effect of a positive electric field on fracture depends on its magnitude.     

压电材料中裂纹面电边界条件的适用性

先分析理想裂纹面电边界条件(包括导通型裂纹和不导通型裂纹),然后分析缺陷的厚度及其对尖端场的影响,用封闭形式的解表示出了缺陷厚度的影响.结果指出,裂纹长厚比对计算结果是有影响的,除非裂纹极扁,不可通裂纹边界条件可以给出合理的结果,而可通边界条件只有在一些限制条件下才适用.     

ANALYSIS OF DAMAGE NEAR A CONDUCTING CRACK IN A PIEZOELECTRIC CERAMIC

The finite element formulation for analyzing static damage near a conducting crack in a thin piezoelectric plate is established from the virtual work principle of piezoelectricity. The damage fields under various mechanical and electrical loads are calculated carefully by using an effective iterative procedure. The numerical results show that all the damage fields around a crack tip are fan-shaped and the electric field applied has great influence on the mechanical damage,which is related to the piezoelectric properties.     

压电介质损伤、断裂力学研究的现状

压电介质的损伤与断裂力学是现代固体力学的重要课题．本文简要地综述了压电介质损伤与断裂力学研究的现状,集中讨论了：（１）裂纹面电边界条件的不同模型及其求解的结果;（２）宏观连续力学与细观力学用于压电介质的损伤与断裂的静力学分析;（３）压电介质动态断裂分析的某些新结果．文末,指出了今后在压电介质损伤与断裂研究的某些有吸引力的研究方向     

压电圆柱形夹杂对邻近裂纹三维应力场的影响

研究了压电复合材料薄板中压电圆柱形夹杂与邻近宏观钝裂纹间的相互作用.重点分析了外加电场、裂尖与压电圆柱形夹杂间韧带长度对裂尖三维应力场的影响.计算结果表明:在不同的外加电场作用下,压电体不仅能改变裂尖张开应力的大小,还能改变其分布.所得结果对进一步探讨线弹性介质中裂纹的启裂控制有参考价值.     

含能材料装药的损伤及力学性能研究进展

研究含能材料的损伤和力学性能对于指导含能材料配方和结构件设计,以及对含能材料进行安全性评估和寿命预测等都具有重要的意义.损伤一方面使含能材料的力学性能劣化,另一方面还影响含能材料的感度、燃烧甚至爆炸性能.本文对含能材料损伤和力学性能的研究现状进行了综述和归纳.对含能材料损伤的产生、实验模拟、主要损伤模式,损伤对含能材料的感度和燃烧性能等的影响,炸药单相材料的性质,影响含能材料力学性能的因素以及损伤本构关系等进行了介绍.对其中的一些关键问题和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的工作发表了一些看法.      

石墨烯辐照损伤及力学性能研究

石墨烯的加工和掺杂是其工程应用和性能开发的重要手段,离子辐照技术是实现上述目的的有效途径.利用分子动力学方法建立了硅离子辐照石墨烯和辐照后拉伸的数值模型.考虑辐照剂量、辐照能量和辐照角度这3个主要影响因素,研究了不同辐照条件下石墨烯的缺陷类型和数量,并分析了在辐照剂量影响下的拉伸破坏.结果表明:当辐照能量较小时,入射粒子会吸附在石墨烯表面.随着辐照能量的增大,入射粒子会穿透石墨烯而形成缺陷,当辐照能量到达一定值时,再无吸附原子.随着辐照剂量的增加,溅射原子和缺陷数目均增多,且缺陷类型以空位缺陷为主,其拉伸力学性能随着缺陷数量的增加而减小,二者近似成线性关系.辐照后石墨烯的拉伸破坏机理与完美石墨烯的有所不同,应力强化阶段明显缩短,缺陷带决定其起裂位置和断裂走向.      

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。