[發明專利]力-電-熱耦合場作用下含裂紋鐵電材料強度分析預測方法

在審

• 申請號: 201911336567.5
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111105848A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 黃成;祁霄;陳良友;孫曉峰;武之煒
• 申請（專利權）人: 常州工學院
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C20/30;G16C10/00;G16C20/90
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 王昊

本發明公開了一種力?電?熱耦合場作用下含裂紋鐵電材料強度分析預測方法，包括：將鐵電材料內的橢圓形裂紋考慮為電夾雜，以此建立多場耦合的新相場模型；求解含裂紋鐵電單晶力?電?熱多場耦合問題；給出不同電夾雜模型的電滯回線，通過控制電夾雜的介電常數來提高材料性能或防止材料性能的退化；得到在給定機電載荷作用下不同電夾雜模型的鐵電單晶在不同溫度環境下的疇結構和應力場分布。本發明的方法用有效的模型統一表達了含裂紋鐵電材料在力?電?熱耦合場作用下，研究微觀疇結構的演化與宏觀局部應力集中之間的相互關聯。從而為鐵電元器件在復雜或極限環境載荷下的結構安全設計和健康預測提供理論基礎。

技術領域

本發明涉及一種含裂紋鐵電材料強度分析預測方法，特別涉及一種力-電-熱耦合場作用下含裂紋鐵電材料強度分析預測方法。

背景技術

鐵電材料如BaTiO₃、PbTiO₃、PZT等，由于其固有的機-電耦合效應和迅速的響應，已經成為新型功能材料及元器件的研究熱點。然而，鐵電材料，多為脆性材料，在制備過程中難免會產生微裂紋等缺陷。這些缺陷的存在破壞了結構的幾何或物理連續性，在非連續區附近將產生局部的應力集中和電場集中，導致了材料與結構的力學失效，引起了材料和力學領域學者的廣泛關注。

對于含缺陷的鐵電材料強度和斷裂問題的理論和應用研究是最近幾年的熱點問題。Jin等和Wang等利用三維相場模型研究了鐵彈介質內的孔洞和裂紋問題，Müller等課題組應用二維相場法并結合有限元法研究了鐵電材料內點缺陷與電疇壁之間的相互作用，Song等研究組應用相場法并結合Khachaturyan-Shatalov理論研究了疇變對鐵電單晶介質內裂紋擴展的影響；同時分析了在力-電載荷下含裂紋的鐵電單晶的疇變過程，與Yang和Zhu的實驗試驗結果一致。最近，Wang等運用相場模型求解了鐵電材料斷裂問題，討論了不同機電載荷作用下裂紋尖端疇結構的演化對裂紋附近區域應力場的影響；同時在裂紋尖端發現了疇變增韌現象。由于相場法在求解動態問題上的優越性，已被用來模擬鐵電裂紋擴展問題。Abdollahi和Arias提出了一種雙序參量的相場模型模擬鐵電材料裂紋的擴展和不同電邊界條件對疇變的影響。

目前存在的問題主要有：

(1)在先前工作中裂紋通常被處理為數學裂紋，即沒有考慮裂紋內的電場對疇結構的影響。實際上，當鐵電材料在機械載荷和電場作用下，裂紋內的電場強度可以被增強到外加電場的1000倍，因此裂紋表現為含有高電能的“電夾雜”，這部分能量應當包含在相場的總能量之中，對疇結構的演化和疇壁移動產生重要的影響，是引起材料電致失效的重要因素之一。

(2)含裂紋的鐵電材料在力-電-熱復雜外電場作用下鐵電的疇變，疇壁的移動和微結構的演化與裂紋尖端應力場分布的影響都缺乏系統的研究。所以存在不能較準確反映物理實質的問題。

(3)目前對于有限元法求解含裂紋鐵電材料的多場耦合問題，現有的商業有限元軟件無法模擬鐵電微結構演化的過程，無法清晰、系統的描述整個物理圖像。

發明內容

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種力-電-熱耦合場作用下含裂紋鐵電材料強度分析預測方法。

本發明采用如下技術方案：

力-電-熱耦合場作用下含裂紋鐵電材料強度分析預測方法，包括以下步驟：

步驟一：基于Landau-Devonshire相變理論，結合力學平衡方程、電學平衡方程和Ginzburg-Landau相場動力學方程，將鐵電材料內的橢圓形裂紋考慮為電夾雜，高電能的“電夾雜”與周圍的電疇相互作用，相互交換能量，達到平衡狀態，以此建立多場耦合的新相場模型。

步驟二：相比于ANSYS等商業有限元軟件，利用開源FEAP有限元求解器，通過FORTRAN編寫含裂紋鐵電單元程序，利用FEAP快速求解器實現了含裂紋鐵電單晶力-電-熱多場耦合問題的求解。