力电耦合冲击下含裂纹压电层合结构瞬态响应的边界元分析

压电材料作为一种新型功能材料应用极为广泛，工程中对压电器件多功能性要求导致压电复合材料出现并迅速广泛应用。压电材料固有的脆性以及其工作环境常处于交变力与电场复杂状态，使得压电器件极易出现各种缺陷导致过早失效。因此对压电复合材料进行动态断裂研究非常必要。本课题拟在开发新型快速时域边界元软件的基础上，对受力电耦合冲击作用下压电层合结构以及含电极薄层的压电层合结构中裂纹（包括基体裂纹和界面裂纹）的瞬态响应问题进行研究，分析随时间变化的裂尖奇异场的分布情况和相应的裂尖动态强度因子，研究其与各种加载方式、材料参数组合以及几何参数等影响因素之间的变化关系；并对压电层合结构中分布微裂纹对主裂纹的动态屏蔽作用等问题进行研究，揭示其屏蔽规律。这些研究将弥补目前有关压电层合结构断裂动力学研究的不足，促进对压电复合材料的动态断裂与损伤机理的认识，并为研制和设计高品质的压电复合材料提供理论依据与分析方法。

本项目主要研究内容包括四个方面：（1）裂纹位置、力电耦合加载方式、材料组合等因素对压电双材料中近界面裂纹的动态断裂参数（包括各型广义动态裂尖场强度因子、总应变能释放率、机械应变能释放率）的影响规律；（2）加载方式、材料组合、极化方向等因素对界面裂纹断裂参数的影响；（3）压电薄层的动态响应问题；（4）压电介质中微裂纹对主裂纹的静态以及动态屏蔽规律。.通过本项目的研究，我们获得了以下重要结论：.（1）对于无限域中的绝缘型近界面裂纹，I型动态应力强度因子随正负电载荷加载而变化，正电载荷导致其峰值增大，负电载荷导致峰值减小。这与静态应力强度因子不受电场影响结论完全不同；同时发现：负电载荷使得总动态能量释放率峰值减小，正电载荷使其增大，但其极值并不随场强成单调增减，因此其并不是合适的裂纹扩展驱动力；.（2）对于有限矩形板中的绝缘型界面裂纹，首先推导了动态断裂参数的显示插值计算公式，分析得出正负电场加载对各断裂参数影响完全一致：正电电载荷导致总能量释放率降低，负电加载导致升高；进一步考虑裂纹内介质的真实介电常数，发现其对I型应力强度因子影响不明显，绝缘与导通型裂纹电边界条件结果形成各动态断裂参数值的上下限；.（3）为了考察主微裂纹之间的屏蔽问题，我们提出了全新的放大率（amplification ratio）的概念，通过系统数值研究，得出各型裂尖场强度因子的放大率相同，且在纯力或电载荷作用下，动态放大率等于静态放大率的重要结论。.以上研究成果填补了目前有关压电层合结构断裂动力学研究的不足，促进了对压电复合材料的动态断裂机理的认识，为压电复合材料的增韧设计提供理论依据与分析方法。