铁电陶瓷的非线性本构行为及有限元模拟

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:maoxinlan
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本文引入了电畴翻转体积分数,以翻转体积分数为内禀变量,建立了考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系,提出了以位移、电位移和电畴翻转体积分数为基本未知量的能量原理。由能量原理可导出场方程和电畴翻转准则,该准则是Hwang等[15]提出的能量准则的扩充和发展。进一步由电畴翻转准则,建立了求解电畴翻转体积分数的线性代数方程。主要研究内容及结果如下:   ⑴提出了理想铁电材料的新概念。设想电畴翻转的能量壁垒并不随着电畴翻转体积分数的增加而增加。以增量方式对铁电试样实施力电加载,对每一步加载在不考虑相邻电畴因极化方向不同而引起的交互作用前提下,计算各个电畴单元的电畴翻转驱动力,根据以上推导的电畴翻转体积分数的公式计算出各个电畴单元的电畴翻转体积分数,代入到本构方程进而求得铁电试样的非线性本构行为。   ⑵提出了铁电材料电畴翻转强化的新概念。为了确定强化曲线,建立了单电畴力学模型。根据部分实验数据,拟合出电畴翻转驱动力与电畴翻转体积分数之间的强化曲线。然后计算铁电试样在力电载荷下的响应。计算结果与实验符合的比较好。   ⑶针对铁电试样电畴随机分布的情况,提出了多电畴力学模型。模型中极化后的铁电试样由许多靠近极化电场方向的随机分布的电畴所组成。不考虑相互作用的前提下,利用标定的强化曲线,计算出各个单元的电畴翻转体积分数,可以求得各个电畴的应变和电位移,对所有单元进行体积平均得到材料的宏观本构响应。理论预测和实验结果符合得较好。   ⑷在铁电材料的非线性有限元模拟计算中,考虑了各单元自发极化方向不同而引起的交互作用,以增量方式对铁电试样实施力电加载,电畴的翻转驱动力由各单元所受的应力和电场强度确定,进而求出强化函数值以及电畴翻转体积分数,利用有限元法得到各单元的应变和电位移,体积平均求得材料的宏观本构行为。计算结果都与实验基本符合。
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