层状压电—压磁结构中Ⅲ型裂纹对SH波的散射

来源 :石家庄铁道大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ychhe123yang
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层状结构是压电-压磁复合材料的重要形式之一,具有制造工艺简单、磁电转换效率高和易于施加电场或磁场实现电能和磁能之间相互转换的调控等优点,这使得其在传感与控制技术、信息技术、新兴的智能材料系统与结构以及微机电系统等高新技术领域呈现出潜在的应用前景。由于多数压电和压磁材料是脆性材料,因此由他们制作的复合材料或器件在力电磁载荷作用下容易断裂或失效。因而,研究层状压电-压磁复合材料的断裂在揭示新的断裂现象和为应用提供理论参考都具有重要的意义。压电-压磁复合材料电能和磁能之间的相互转换是压电相和压磁相之间变形传递的结果,因此,凝聚态物理和材料科学领域的研究者没有考虑压电相中的磁场和压磁相中的电场。基于这样一个物理背景,本文忽略压电相中的磁场和压磁相中的电场,即压电材料和压磁材料之间界面上的电势和磁势为零,研究了SH波作用下压磁-压电-压磁夹层结构和压电层-压磁半空间结构的动态断裂性能。首先应用Fourier变换将混合边值问题转化为第一类Cauchy奇异积分方程,然后使用Gauss-Chebyshev多项式方法求解得到的积分方程,结合数值算例获得了材料性能、入射波频率、裂纹长度以及压电层厚度对动态应力强度因子的影响规律。主要结果如下:(1)对于压磁-压电-压磁夹层结构,动态应力强度因子均先随入射波频率增加而增加,达到峰值后下降;压电层厚度与裂纹长度比越大,动态应力强度因子越大。(2)对于压电-压磁层状半空间结构,动态应力强度因子达到最大峰值后,然后随入射波频率的增加而振荡地减小;压电层厚度与裂纹长度比越小,动态应力强度因子的最大峰值越大,这与夹层结构恰恰相反;电学短路条件下动态应力强度因子的峰值大于电学开路的峰值。(3)对于所研究的两种结构,压电材料的剪切体波波速越大,相应的动态应力强度因子的峰值越大。
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