【摘 要】
:
挠曲电材料由于其优良的力电耦合性能广泛应用于智能传感、微纳机电系统、结构健康监测和能量收集等领域。挠曲电效应指的是介电极化同非均匀变形或应变梯度之间的力电耦合关
【机 构】
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机械结构强度与振动国家重点实验室西安交通大学航天航空学院;
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(No.11472205,11772245)
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挠曲电材料由于其优良的力电耦合性能广泛应用于智能传感、微纳机电系统、结构健康监测和能量收集等领域。挠曲电效应指的是介电极化同非均匀变形或应变梯度之间的力电耦合关系,广泛存在于所有电介质中,然而挠曲电材料的固有属性(脆性大、断裂韧度低)以及高挠曲电效应设计伴随而来的应力集中都将对材料的断裂强度产生重要影响。本研究旨在考虑电介质中的应变梯度和极化梯度效应,建立用于挠曲电材料断裂强度标定的构型力学理论。首先,在挠曲电材料电焓能密度函数中引入应变梯度和极化梯度效应,对拉格朗日密度函数在材料空间分别进行梯度、散度和旋度操作,从而获得用于材料缺陷平移、缺陷自相似扩展和缺陷旋转表征的三类守恒积分(J积分、M积分和L积分)及其构型力,同时对三类守恒积分的路径无关性进行了验证。此外,通过解边值问题获得了挠曲电材料缺陷(裂纹和孔洞)附近的位移场和极化场,结果表明考虑应变梯度和极化梯度效应时裂尖应力场呈现r-3/2奇异性。最后,对材料构型力学理论在挠曲电材料中的应用进行了算例说明,结果表明挠曲电材料中J积分的守恒法则仍然存在,当积分路径包围所有缺陷时在整体坐标系中的J积分值为0,M积分可以表征路径内缺陷自相似扩展时所引起的能量释放率。本研究以材料构型力学理论为基础,为挠曲电材料中的断裂强度问题提供了理论支撑。
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