【摘要】：壓電材料因具有壓電效應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于各種智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)中。大部分壓電介質(zhì)呈脆性,斷裂韌度低,使其在加工制備及服役中極易產(chǎn)生裂紋類缺陷,導(dǎo)致其實(shí)際使用壽命大幅降低。因此,深入研究壓電材料的斷裂力學(xué)特性,預(yù)測(cè)壓電結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)壓電材料中的斷裂與疲勞問題,開發(fā)相應(yīng)的對(duì)偶邊界元(dual BEM)程序。改進(jìn)并拓展應(yīng)用多種壓電裂尖斷裂參數(shù)的計(jì)算方法;提出一種新的斷裂準(zhǔn)則,數(shù)值分析了不同電邊界條件下的裂紋啟裂力以及裂紋擴(kuò)展路徑;進(jìn)一步對(duì)壓電試件在力電循環(huán)載荷作用下的疲勞壽命進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)。主要研究?jī)?nèi)容歸納如下:(1)針對(duì)壓電材料中的斷裂問題,根據(jù)不連續(xù)四分之一點(diǎn)裂尖奇異單元特點(diǎn),提出改進(jìn)的裂紋閉合積分法(MCCI)計(jì)算公式,提高了其計(jì)算精度;并將相互作用積分技術(shù)拓展應(yīng)用于邊界元法中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電斷裂參數(shù)的高精度計(jì)算。分別用位移外推法、J積分法、MCCI、以及相互作用積分法計(jì)算了各種壓電斷裂參數(shù),與解析結(jié)果對(duì)比研究了這些方法的精確性。(2)基于新型斷裂參數(shù)——周向機(jī)械應(yīng)變能釋放率(_MG~?),提出最大_MG~?準(zhǔn)則,分析了不同的電邊界條件下壓電裂紋的啟裂力,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究了各種電邊界條件的有效性。通過在運(yùn)動(dòng)裂尖增加新的裂紋單元實(shí)現(xiàn)模擬裂紋擴(kuò)展,開發(fā)了相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展模塊。分別采用最大周向應(yīng)力強(qiáng)度因子(K_(??))準(zhǔn)則以及最大_MG~?準(zhǔn)則,數(shù)值模擬了多種載荷形式下壓電裂紋的擴(kuò)展路徑,并與現(xiàn)有結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。(3)考慮裂尖小范圍塑性屈服及電屈服模型,對(duì)經(jīng)典冪律形式的Paris公式中的斷裂參數(shù)進(jìn)行修正,采用相互作用積分技術(shù)計(jì)算各種斷裂參數(shù),開發(fā)疲勞裂紋擴(kuò)展程序模塊。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用BEM程序計(jì)算相應(yīng)狀態(tài)下的斷裂參數(shù),數(shù)值擬合確定循環(huán)機(jī)械載荷及電載荷下壓電試件的Paris公式中的參數(shù),并據(jù)此公式數(shù)值分析壓電試件的疲勞壽命,并對(duì)比了不同Paris公式的適用性。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O346;TB34
【圖文】：

多采用極化后的壓電介質(zhì)，極化后的壓電材料是典型的各向異性功能材料，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能以及獨(dú)特的壓電效應(yīng)（如圖1-1所示）。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以壓電材料作為核心材料的智能結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信息、激光、生物和航天等高技術(shù)領(lǐng)域，其應(yīng)用也遍及人們的日常生活中，例如電子玩具、電子鐘表、定時(shí)器等中的壓電式蜂鳴器，共享單車智能鎖中的振動(dòng)傳感器以及煤氣灶、打火機(jī)等中的壓電點(diǎn)火器等等。a) 正壓電效應(yīng) b) 逆壓電效應(yīng)a) Positive piezoelectric effect b) The inverse piezoelectric effect圖 1-1 壓電材料的壓電效應(yīng)Fig.1-1 Piezoelectric effect of piezoelectric materials大部分的壓電材料都屬于脆性材料，具有斷裂韌性低和缺陷敏感性高的特點(diǎn)。壓電構(gòu)件在制造和運(yùn)輸過程中易產(chǎn)生孔洞、夾雜、裂紋等缺陷，常導(dǎo)致構(gòu)件提前失效，從而實(shí)際使用壽命往往取決于含初始缺陷器件的剩余壽命[1]。而疲勞失效是其最致命的損傷機(jī)制，因此含缺陷壓電材料的疲勞斷裂力學(xué)分析受到廣泛的關(guān)注。目前

lg( KI) KthKc圖 5-1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率示意圖g.5-1 Schematic diagram of fatigue crack growth值模擬疲勞斷裂擴(kuò)展問題時(shí)，大多研究N 固定為一相對(duì)較小的定值，大約為 50擴(kuò)展步長(zhǎng)，即( )m a C K N 中心裂紋拉伸試件和緊湊拉伸試件進(jìn)行機(jī)紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和載荷循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系幅值或者裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的增大，曲線斜

Momparison of and as a control parameter for the 2mm off試件中電致疲勞裂紋擴(kuò)展的 BEM 分析與 Sun[35]的實(shí)驗(yàn)研究表明：外加正電場(chǎng)促進(jìn)壓電裂紋擴(kuò)展，展。但理論研究裂尖總能量釋放率發(fā)現(xiàn)，外加電場(chǎng)卻總是差異，Gao 等[79]提出壓電材料斷裂問題的條狀飽和區(qū)模型典的 Dugdule 條狀屈服區(qū)模型的推廣[46]。如圖 5-11 所示作用下，無(wú)限大壓電板中長(zhǎng)度為 2a 的裂紋兩端分別定義 x c），假設(shè)該區(qū)域的材料處于屈服狀態(tài)，而裂紋面仍為[46]對(duì)此模型進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析，推導(dǎo)出該屈服區(qū)的理2cos2saDc D

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 程站起;華利民;衛(wèi)興;;用于各向異性壓電材料的邊界元法[J];鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版);2007年03期

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本文編號(hào)：2783184