动态载荷作用下压电材料的断裂

Using theoretical and experimental approachs together with macroscopic and microscopic analyses, this project is focused on the investigation of fracture behaviors of piezoelectric materials under dynamic complex loads. In theoretical research, emphasis is on studies of the fracture problem of piezoelectric materials subjected to electric alternating loads, thermal impact loads, electric-acoustic waves and transient inertial impact loads, random loads and dynamic multi-field coupling loads, respectively. In experimental research, stress is on the fracture tests of piezoelectric materials/stuctures under dynamic multi-field coupling loads, thermal impact loads,transient inertial stress field and random loads. Novel points in this project include: several new crack models, for example, "variable capacitor" and "variable heat flow surface" crack models are proposed, which are expected to be used for explaining the energy dissipation mechanism of piezoelectric material systems; in addition, the crack propagation model of piezoelectric material under random loads, and the multi-scale fracture model of piezoelectric material under dynamic multi-field coupling loads are both proposed firstly. Through the above theoretical and experimental works, the purpose is to explore the failure mechanism of piezoelectric materials under dynamic complex loads, to develop the dynamic fracture theory of piezoelectric material, to establish the macro - micro multi-field coupling fracture criterion, and finally to lay a theoretical foundation of safety and reliability design for piezoelectric devices.

应用理论和实验相结合、宏观与微观分析相结合的方法,面向航空航天重大力学问题，研究压电材料在动态复杂载荷作用下的断裂力学行为。在理论研究方面，重点研究在交变电载荷、热冲击载荷、电声波和瞬态惯性冲击载荷、随机载荷和动态多场耦合载荷作用下压电材料的断裂力学问题；在实验研究方面，重点进行压电材料或结构在动态多场耦合载荷、热冲击载荷、瞬态惯性力场和随机载荷等作用下的断裂实验研究等。创新点包括：首次提出 "可变电容器"裂纹模型和"变热流"裂纹模型等，从而可望揭示压电材料系统的能量耗散机理；首次建立随机载荷作用下压电材料内的裂纹扩展模型和首次提出动态多场耦合条件下压电材料多尺度断裂分析模型等。通过上述研究，探索压电材料在动态复杂载荷作用下的失效机理，发展压电材料动态断裂力学理论，建立宏-微观多场耦合断裂失效准则，为压电材料器件的安全可靠性设计奠定理论基础。

压电材料由于具有良好的介电、压电和热电特性，在众多工程领域具有十分诱人的发展和应用前景。可是，压电材料制作的元器件一般是在力、电、热和磁等动态载荷作用下工作，经常导致压电元器件的断裂与功能失效。因此，研究动态载荷作用下压电材料的断裂问题具有科学和工程意义。.本项目应用理论和实验相结合、宏观与微观分析相结合的方法,研究压电材料在动态复杂载荷作用下的断裂力学行为。主要研究内容及创新点包括：（1）提出“可变电容器”裂纹模型，研究了在交变电场作用下裂纹内部电场的变化规律及其对断裂的效应，并从能量释放率出发系统地研究了裂纹内部电能的耗散机理，给出了裂纹尖端能量释放率的解析表达式。（2）发展了放电裂纹模型，研究了气体放电和固体电击穿的效应，给出了放电前、后裂纹尖端能量释放率与应力强度因子的解析表达式，揭示了放电的热效应以及电树形成机理，发展了电致损伤力学模型。（3）建立了Yoffe移动裂纹复变函数解法，给出了场变量的矩阵表达式，为研究复杂载荷条件下的Yoffe移动裂纹问题奠定了基础，特别是针对电半穿透型Yoffe裂纹，探讨了裂纹表面Maxwell应力对裂纹扩展的影响。（4）发展了相场理论在模拟压电材料微结构动态演化方面的应用。基于相场理论体系，研究了压电材料裂纹内部电场的变化规律和能量耗散机理，探索了裂纹内动态电场对裂纹扩展的影响，以及裂纹附近畴结构在动载荷下的畴变机理，加深了人们对压电材料动态断裂机理的认识。（5）研究了电声波和弹性波作用下压电材料的断裂行为，探讨了压电器件中的电极对工作电声波的散射作用，以及电极与压电体之间界面裂纹的萌生和扩展对电声波频率与波速的影响等。通过上述研究，加深了人们对动态载荷作用下压电材料断裂失效机理的认识，推动了压电材料动态断裂力学的发展，为压电材料元器件的安全可靠性设计奠定了理论基础。