基于应变率效应的压电材料本构与内聚区模型及其动态断裂应用研究

Strain rate effect is significant with the increasing of fracture speed, makes the material properties changes with the fracture speed, which increases the difficulty of dynamic fracture analysis for piezoelectric materials. To overcome this difficulty, it is our purpose in this project to establish the rate-dependent constitutive and cohesive zone model (CZM) for the piezoelectric materials, and the dynamic fracture simulation was carried out to study the change of dynamic fracture toughness...Main research contents include: 1) by considering the rate effect, the influence of strain rate on the constitutive law of piezoelectric materials is analyzed, the rate-dependent constitutive model and CZM of piezoelectric materials is established; 2) the key CZM parameters (maximum traction, maximum electric displacement and cohesive energy) are found by the rate-dependent constitutive equations, the theory of damage mechanics and numerical simulations, and verified by experiment results; 3) those rate-dependent models are applied to the simulation of Charpy impact test to verify reliability of the models, and together with the Charpy impact test, the effect of fracture speed on fracture toughness is analyzed...Main Innovation of this project include: the rate-dependent constitutive model and CZM of piezoelectric materials is established to accommodate dynamic fracture; and a relationship between key the CZM parameters and the common fracture parameters is obtained, a new method to determine the key CZM parameters for piezoelectric materials is proposed...Based on those researches, it is our purpose to increase the simulation accuracy of dynamic fracture in piezoelectric materials by using the CZM, explore the fracture mechanism and fracture behavior of dynamic fracture, and eventually provide a guidance for the design of crack arrest of piezoelectric intelligent components.

材料的应变率效应随断裂速度的增加而逐渐显著，使得材料性能随断裂速度而不断变化，增加了压电材料动态断裂问题分析的难度。为克服这一困难，本项目力求建立基于应变率效应的压电材料本构和内聚区模型，进行动态断裂模拟，研究动态断裂韧性的变化。内容包括：1）考虑应变率效应，分析应变率对压电材料本构的影响，建立率相关的压电材料本构和内聚区模型；2）根据率相关本构方程、损伤理论和数值模拟，确定内聚区模型的关键参数（最大张力、最大电位移和内聚能），与试验结果对比验证；3）将率相关的模型应用于Charpy冲击试验，验证模型可靠性，并分析断裂速度对断裂韧性的影响。创新之处在于建立率相关的压电材料本构和内聚区模型，以适应动态断裂；建立模型关键参数与工程常见断裂参数的联系，给出参数确定新方法。通过本项目的研究，可有效提高压电材料动态断裂的仿真精度，探索压电材料动态断裂机理和行为，为压电元器件的止裂设计提供理依据。

材料的应变率效应随断裂速度的增加而逐渐显著，使得材料性能随断裂速度而不断变化，增加了压电材料动态断裂问题分析的难度。本项目建立了基于应变率效应的压电材料本构和内聚区模型，进行动态断裂模拟，研究动态断裂韧性的变化。主要内容如下：.针对横观各向同性压电材料的各向同性面，利用万能试验机进行了不同加载速率下的单轴拉伸试验，获得率相关的工程弹性模量及断裂应力。利用霍普金森杆撞击试验，获得了不同撞击速率下，各向同性面的应力应变曲线。建立起各向同性面的率相关的本构模型。.对于内聚区模型，最大张力即为考虑损伤因子时压电材料发生断裂时的临界应力，对应着拉伸应力应变曲线的断裂应力。最大电位移根据本构方程推导而出，由于拉伸试验没有电载荷，此时最大电位移可忽略。内聚能即为发生断裂时的临界断裂能，对应着发生断裂时的临界J积分。建立了率相关的内聚区模型。.对于准静态断裂，以单轴拉伸试验进行验证，结果表明上述模型完全正确，且内聚区模型不同形状的张力-位移曲线不会影响单轴拉伸的载荷位移曲线。对于动态断裂，以Charpy冲击试验进行验证，结果表明上述率相关模型完全正确，并且张力-位移曲线的形状依旧不会影响全局的载荷位移曲线。.此外，在项目进行过程中，为了获得冲击过程中的试验数据，对现有的金属用大型摆锤式冲击试验机进行了仪器化改造。为了克服压电陶瓷易碎、断裂能小的特点，进行了小型摆锤式冲击试验机的开发设计。为了验证本项目提出的确定内聚区模型关键参数对不同材料的适用性，对压电薄膜、正交各向异性的纸张以及土壤等材料进行了分析，验证了模型的正确性。.本项目提出了一种通用的确定内聚区模型关键参数的新方法，并将之运用到材料的动态断裂分析中，深入揭示了包含压电材料在内的材料动态断裂机理。项目提出的方法可推广到其他材料，为农机装备的研发设计、裁纸工艺的研发提供直接的仿真手段，有效提升新产品、新工艺的开发效率。