压电材料裂纹扩展数值模拟研究

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压电材料由于其优秀的力学性能以及独特的力电耦合特性,在各种换能器和传感器制造中有着广泛的应用。但由于该材料本身呈脆性,且断裂韧度低,通常只有1MPa左右,所以含初始缺陷的压电材料构件在荷载作用下容易发生裂缝的失稳扩展,从而导致构件的失效,因此,对压电材料进行断裂力学分析有着重要的理论意义和实用价值,也是相关领域研究的热点问题之一。本文首先总结了之前学者在压电材料断裂行为方面的观点:压电断裂行为方面的研究,主要集中在裂纹表面边界条件的研究,包括电边界条件以及应力边界条件;以及压电材料断裂准则的研究,主要观点有总能量释放率准则、机械应变能释放率准则、应力强度因子准则、能量密度因子准则,以及基于试验的COD准则。由于压电材料的机电耦合特性,更趋于真实情况的半通导边界条件以及应力非自由边界条件目前在运用中还存在不少的困难,因此解决实际问题时人们通常使用的是绝缘裂纹模型以及应力自由边界条件。虽然这样处理对问题进行了简化,但在一些条件下,该简化模型的解也具有很高的精度。然后利用ABAQUS建立了压电材料板中心裂纹有限元模型,采用MCCI方法分别计算了机械荷载作用下、机电耦合荷载作用下不同长度裂纹的裂纹尖端机械应变能释放率并对结果进行了比较。发现数值计算结果与解析解吻合的很好,说明本文所采用的计算方法是可行的。随后模拟了裂纹扩展时的情况,计算出裂纹扩展一定长度时裂纹尖端的机械应变能释放率,发现在裂纹扩展过程中,机械应变能释放率基本维持在同一数值,验证了机械应变能释放率的正确性。
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