基于力电耦合效应的非均匀压电材料断裂问题研究

作为一种智能材料,非均匀压电材料广泛应用于航空航天、军事等领域,由于其脆性,材料中的微裂纹对结构寿命影响较大。基于非均匀压电材料的本构关系,几何关系和边界条件,利用分层法的原理进行材料的梯度划分,分析了力电耦合效应下非均匀压电材料中的断裂问题。建立含裂纹非均匀压电板的有限元模型,讨论了力电耦合效应下不同梯度参数、不同裂纹形状、不同裂纹尺寸以及不同梯度函数对裂纹周围应力和电位移分布的变化规律。首次提出几何过程函数来进行非均匀材料属性的调控,实现材料参数的随机递增/随机递减。数值结果给出了在力电耦合效应下,裂纹周围应力和电位移的分布规律;梯度参数的增大使裂纹周围应力和电位移增大;裂纹几何尺寸变小,裂纹周围应力增大而电位移减小且椭圆形裂纹周围应力要大于圆形裂纹。因此,在非均匀材料结构设计中,梯度参数应在可使用范围内选取较小值;选择不同梯度函数的对裂纹周围的应力和电位移有一定影响,这对于非均匀压电材料结构设计及实际应用起到借鉴作用。