力電脈衝作用下壓電陶瓷疲勞裂紋擴展模擬與實驗驗證

《力電脈衝作用下壓電陶瓷疲勞裂紋擴展模擬與實驗驗證》是依託北京工業大學，由雷鈞擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：力電脈衝作用下壓電陶瓷疲勞裂紋擴展模擬與實驗驗證
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：雷鈞
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

壓電陶瓷的強度與斷裂韌度低，在極化與服役中極易產生缺陷，疲勞斷裂是其最危險的失效形式。與靜態載荷不同，壓電器件的實際載荷往往是脈衝形式。機械脈衝會引起不可忽視的慣性效應；電脈衝持續時間極短、峰值高，對電子器件的危害性極大。而現階段研究側重於對交變電場所致疲勞斷裂的實驗研究，缺乏有效的理論模型與數值模擬手段。因此，本項目首先根據文獻中各種交變載荷下壓電陶瓷的疲勞試驗與理論分析結果，宏細觀相結合建立多尺度疲勞模型。巨觀唯象模型考慮動載的慣性效應與電致疇壁運動，細觀損傷機制考慮裂尖小範圍疇變與塑性屈服。分析確定疲勞裂紋擴展的控制參量與準則，並提出多參數擴展公式；進而開發高效穩定的通用邊界元軟體平台，實現疲勞裂紋擴展的數值模擬與壽命預測。針對典型力電脈衝情況，套用此數值軟體進行實例模擬，與實驗對比逐步完善模型與軟體。研究成果對於壓電陶瓷的疲勞斷裂理論與可靠性設計都具有十分重要的科學意義和實用價值。

結題摘要

壓電陶瓷由於強度與斷裂韌度低，在極化與服役中極易產生缺陷，疲勞斷裂是其最危險的失效形式。與靜態載荷不同，壓電器件的實際載荷往往是脈衝形式。而現階段研究側重於對交變電場所致疲勞斷裂的實驗研究，缺乏有效的理論模型與數值模擬手段。因此，本項目基於壓電陶瓷的疲勞試驗與理論研究現狀，研究的主要內容包括斷裂參數的高效精確計算方法、有效的裂紋模型、壓電裂紋擴展的斷裂準則、不同載荷條件下的疲勞裂紋擴展公式等。課題主要創新性成果有：率先將相互作用積分法引入對壓電裂紋的邊界元分析中；提出磁電介質界面裂紋斷裂參數計算公式；提出一種新的斷裂參數——周向機械應變能釋放率，實現了對壓電裂紋擴展方向的快捷計算，並考慮斷裂韌度的各向異性提出修正的最大周向機械應變能釋放率準則，成功對壓電裂紋擴展路徑的準確模擬；對機械循環載荷下考慮裂尖小範圍疇變與塑性屈服，對電致疲勞考慮裂尖電屈服的條狀飽和區模型，對壓電裂紋疲勞擴展公式中的控制參量進行了合理選擇。最終，課題組開發了高效穩定的通用邊界元軟體平台，實現了對壓電裂紋準靜態擴展以及疲勞裂紋擴展的數值模擬與壽命預測。研究成果對於壓電陶瓷的疲勞斷裂理論與可靠性設計都具有十分重要的科學意義和實用價值。