各向异性材料和压电材料奇异性场研究

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1、摘要摘要各向异性材料和压电材料常常单独或与其它材料接合使用，材料中的裂纹、v型切口和夹杂角尖等部位均存在奇异性，很可能导致部件的功能失效和早期破坏。为了确保设备和结构的安全可靠性，全面准确地了解这些部位的奇异性场强度有着非常重要的意义。通常奇异性场可统一表示为∑(r，疗)=七r2Fp)，其中(r，口)为原点设在奇异点的极坐标，特征值A和特征角分布函数F(8)为特征解，k为强度系数。为了确定奇异性场强度和建立断裂准则，不但要求解特征解，而且要确定强度系数k，为此，本文建立了几类新型奇异性单元，并与全域杂交元结合，用来求解各向异性材料和压电材料奇异性场强度。奇异单元建立的思路为：

2、利用高次内插有限元特征法求解奇异性场的特征解，并以此为基础，通过广义Hellinger-Reissner变分原理建立围绕奇异点邻域的超级奇异性单元。将超级奇异单元与全域杂交元结合，用来求解各向异性材料和压电材料奇异性场强度。根据材料和结构形式的不同，主要包含以下研究内容：1)建立各向异性材料裂纹尖端超级奇异单元，用于求解各向异性接合材料裂纹尖端场强度，确定应力强度因子的数值解。文中通过算例验证所建立的模型，并考察材料主轴走向、裂纹长度、裂纹间距、材料属性和结构形式等的影响。2)建立面内极化压电材料的裂纹尖端超级奇异单元，用于求解奇异性电弹场强度。该单元考虑的裂纹面电边界条件包

3、括：绝缘条件、部分导通条件和导通条件。通过典型算例，对方法进行了验证，并分析了各种电边界条件和极化方向等对应力和电位移强度因子的影响。3)建立面外极化压电材料界面裂纹尖端超级奇异单元，用于求解层间裂纹的应力和电位移强度。考虑的接合材料种类包括：压电／压电、压电／弹性绝缘体以及压电／弹性导体。通过算例考察了电边界条件，层厚和外载等因素对强度因子和能量释放率的影响。4)建立各向异性材料和压电材料超级界面端单元，用于求解接合材料界面端部的奇异性场强度。通过算例分析，考察了材料主轴走向，界面端角度，材料属性和结构尺度对应力强度和电位移强度的影响。5)建立了各向异性材料和压电材料超级夹

4、杂角尖单元，用于求解该处的奇异性场强度。算例考虑了夹杂角尖角度、夹杂尺寸和夹杂间距等的影响，据此判断界面的安全性。北京交通大学工学博士学位论文6)以含V型切口的PZT5H三点弯曲试样为研究对象，采用云纹干涉法实施实验，考察纯电载荷和机电耦合载荷下切口尖端的奇异性应变场状况。实验结果与新型杂交元法结果定性相符合，揭示了切口角度和载荷大小的影响。然后，以含O。切口的三点弯曲试件为研究对象，利用新型杂交元法拟合“断裂载荷一外加电场”关系曲线，并建立了断裂准则，计算结果能够定性解释断裂试验现象和其它现存解。关键词：断裂力学，杂交元，高次内插，有限元特征法，裂纹，切口，夹杂，接合材料l

5、IAbstractAnisotropicmaterialsandpiezoelectricmaterialsareoftenusedbyoneselforbondedwithothermaterials．Unfortunately,strongsingularitiesinthetipsofthecracks，interfaceedgesandinclusionsmayleadtofunctioninvalidationorevenearlierdestroyofcomponents．Toensurethesafetyandreliabilityofthedevicesand

6、structures，itismeaningfultounderstandcompletelyandexactlythelocalsingularfields．Commonly,thesingularfieldssurroundingthesingularpointscallbeexpressedas∑=k，2Fp)，inwhich(r，0)isthepolarcoordinatesystemwhoseoriginissetatthesingularpoint，eigenvalueAandangularvariationfunction，p)areeigensolutions

7、，kisthemagnifiedcoefficientdependingonthegivenloading,thegeometryofthestructureandmaterialconstants．Todeterminethesingularfieldsandthefractureparameters，boththeeigensolutionsandthemagnifiedcoefficientsshouldbesolved．Themainobjectiveofthisdissertationisto