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。     

基于新型裂尖杂交元的压电材料断裂力学研究

提出了一种裂尖邻域杂交元模型，将其与标准杂交应力元结合来求解压电材料裂纹尖 端的奇性电弹场和断裂参数的数值解．裂纹尖端杂交元的建立步骤为：1) 利用高次内插有限元特征法求解特征问题，得到反映裂尖奇异性电弹场状况的特 征值和特征角分布函数；2) 利用广义Hellinger-Reissner变分泛函以及特征问题的解来建立裂尖邻域杂交元模型．该 方法求解电弹场时，摒弃了传统有限元方法中裂尖奇异性场需要借助解析解的做法，也避免 了单纯有限元方法中需要在裂尖端部进行高密度单元划分．采用PZT5板中心裂纹问题 作为考核例，数值结果显示了良好的精确性．作为进一步应用，求解了含中心界面裂纹 的PZT4-PZT5两相压电材料的应力强度因子和电位移强度因子．所有的算例都考虑 了3种裂纹面电边界条件．     

双材料界面Ⅰ型扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

双材料界面中存在材料黏性效应, 对界面裂纹尖端场的分布和界面本身性能 的变化起着重要的影响. 考虑裂纹尖端的奇异性, 建立了双材料界面扩展裂纹尖端的弹黏塑 性控制方程. 引入界面裂纹尖端的位移势函数和边界条件, 对刚性-弹黏塑性界面I型界面 裂纹进行了数值分析, 求得了界面裂纹尖端应力应变场, 并讨论了界面裂纹尖端场随各影响 参数的变化规律. 计算结果表明, 黏性效应是研究界面扩展裂纹尖端场时的一个主要因素, 界面裂纹尖端为弹黏塑性场, 其场受材料的黏性系数、马赫数和奇异性指数控制.     

含不可渗透边裂纹压电材料反平面问题的解

研究了含边缘裂纹的矩形截面压电材料在平面内电场和反平面荷载作用下的问题。得到了满足拉普拉斯方程、裂纹面边界条件的位移函数解和电势函数解及电弹场的基本解。最后,用边界配置法计算了能量释放率。本文提出的这种半解析半数值的方法计算简便,而且具有广泛的应用性。     

含有功能梯度界面相压电纤维复合材料的平面问题

基于复变函数理论和线弹性压电材料本构方程,研究了含有功能梯度界面相压电纤维复合材料平面问题的电-弹场.首先基于复变函数理论,对功能梯度界面相分层均匀化处理,然后将基体、分层均匀化后的界面相以及压电纤维的复势设定为含有待定系数的级数解形式,再通过边界条件建立相应的方程组求解复势中的待定系数,最后求得在各种载荷下压电复合材料的电-弹场.研究结果表明功能梯度界面相的材料属性对压电复合材料的电-弹场有重要的影响.     

一维六方准晶压电材料中唇形裂纹反平面问题的解析解

本文在准晶压电材料基本方程的基础上,根据点群的对称性和一维六方准晶的线性压电效应,导出了一维六方准晶压电材料反平面问题的控制方程.利用复变函数的方法,通过引入适当的保角映射,研究了准晶压电材料中唇形裂纹的反平面问题,并利用Cauchy积分理论,得到在电不可通边界条件下的裂纹尖端场强度因子与机械应变能释放率的解析表达式.     

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。     

矩形压电体中反平面裂纹的电弹性场

基于线性压电理论,本文获得了含有中心反平面裂纹的矩形压电体中的奇异应力和电场。利用Fourier积分变换和Fourier正弦级数将电绝缘型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Fred-holm积分方程。获得了裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解,求得了裂纹尖端场的强度因子及能量释放率。分析了压电矩形体的几何尺寸对它们的影响。结果表明,对于电绝缘型裂纹,裂纹尖端附近的各个场变量都具有-1/2阶的奇异性,能量释放率与电荷载的方向及大小有关,并且有可能为负值。     

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．     

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。     

含界面裂纹Reissner板弯曲问题分析的奇异单元

首先,采用特征函数渐近展开法,推导了Reissner板弯曲界面裂纹尖端附近位移场渐近展开的前两阶显式表达式,并利用所获得的位移场渐近表达式构造了一种可用于Reissner板弯曲界面裂纹分析的奇异单元。然后,将该奇异单元与外部的常规有限单元相结合,开展了含界面裂纹Reissner板弯曲断裂问题的数值分析。奇异单元可以较好地描述裂纹尖端附近的内力场与位移场,其优势是它与常规单元进行连接时不需要使用过渡单元,并且可以直接给出应力强度因子等断裂参数的高精度数值结果。最后,通过两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

2D dynamic analysis of cracks and interface cracks in piezoelectric composites using the SBFEM

The dynamic stress and electric displacement intensity factors of impermeable cracks in homogeneous piezoelectric materials and interface cracks in piezoelectric bimaterials are evaluated by extending the scaled boundary finite element method (SBFEM). In this method, a piezoelectric plate is divided into polygons. Each polygon is treated as a scaled boundary finite element subdomain. Only the boundaries of the subdomains need to be discretized with line elements. The dynamic properties of a subdomain are represented by the high order stiffness and mass matrices obtained from a continued fraction solution, which is able to represent the high frequency response with only 3–4 terms per wavelength. The semi-analytical solutions model singular stress and electric displacement fields in the vicinity of crack tips accurately and efficiently. The dynamic stress and electric displacement intensity factors are evaluated directly from the scaled boundary finite element solutions. No asymptotic solution, local mesh refinement or other special treatments around a crack tip are required. Numerical examples are presented to verify the proposed technique with the analytical solutions and the results from the literature. The present results highlight the accuracy, simplicity and efficiency of the proposed technique.     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

Anti-plane shear crack normal to and terminating at the interface of two bonded piezoelectric ceramics

The electroelastic analysis of two bonded dissimilar piezoelectric ceramics with a crack perpendicular to and terminating at the interface is made. By using Fourier integral transform, the associated boundary value problem is reduced to a singular integral equation with generalized Cauchy kernel, the solution of which is given in closed form. Results are presented for a permeable crack under anti-plane shear loading and in-plane electric loading. Obtained results indicate that the electroelastic field near the crack tip in the homogeneous piezoelectric ceramic is dominated by a traditional inverse square-root singularity, while the electroelastic field near the crack tip at the interface exhibits the singularity of power law r^−α, r being distance from the interface crack tip and α depending on the material constants of a bi-piezoceramic. In particular, electric field has no singularity at the crack tip in a homogeneous solid, whereas it is singular around the interface crack tip. Numerical results are given graphically to show the effects of the material properties on the singularity order and field intensity factors.     

Finite-part integral and boundary element method to solve three-dimensional crack problems in piezoelectric materials

Using the hypersingular integral equation method based on body force method, a planar crack in a three-dimensional transversely isotropic piezoelectric solid under mechanical and electrical loads is analyzed. This crack problem is reduced to solve a set of hypersingular integral equations. Compare with the crack problems in elastic isotropic materials, it is shown that for the impermeable crack, the intensity factors for piezoelectric materials can be obtained from those for elastic isotropic materials. Based on the exact analytical solution of the singular stresses and electrical displacements near the crack front, the numerical method of the hypersingular integral equation is proposed by the finite-part integral method and boundary element method, which the square root models of the displacement and electric potential discontinuities in elements near the crack front are applied. Finally, the numerical solutions of the stress and electric field intensity factors of some examples are given.     

双轴载荷作用下源于椭圆孔的分支裂纹的一种边界元分析

利用一种边界元方法来研究双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹．该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者提出的裂尖位移不连续单元构成．在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界,文中算例说明本数值方法对计算平面弹性裂纹的应力强度因子是非常有效的。该文对双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹的数值结果进一步证实本数值方法对计算复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示双轴载荷及裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

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．     

双材料界面裂纹应力强度因子的边界元分析

采用双材料基本解建立边界元法基本方程,计算双材料界面裂纹尖端附近的应用力和位移场。不离散界面,并设置面力奇异四分之一点裂尖单元以提高计算精度。数值结果表明,本文的方法具有较高的精度和效率。     

复合材料尖劈和接头端部奇性场的反平面问题研究

提出了一个基于位移的分析尖劈端部奇性位移场和应力场反平面问题的非协调元特征法．该方法与过去原有求解裂纹尖端近似场的有限元特征法有几点不同：(1)导出虚功原理的出发点为二维扇区的散度原理;(2)有限元的单元形式为非协调元;(3)尖劈端部邻域内的位移场假定没有采用奇异变换技术．运用该方法给出了求解正交各向异性复合材料尖劈端部附近奇性应力指数、奇性位移和应力角分布函数的算例．计算结果表明,该方法较原来的有限元特征法所用的单元少而且精度高．