带形压电/弹性介质中孔洞及夹杂对SH导波的散射

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:axuxiao
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通常,在制造工程中所用的板件及管材时,将很难避免产生各种缺陷,如孔洞和夹杂。含有介质缺陷的材料的力学性能将受到外力载荷的显著影响,受到外力作用时,由于材料的几何不连续性,缺陷周围将会产生较为严重的应力集中现象,对工程的安全性产生不利影响。因此,为了满足工程需要,研究缺陷周围的动应力集中现象拥有很重要的意义。而除却工程中最为常用的弹性材料,压电材料也逐渐引起人们关注并开始广泛应用于工程中。压电材料可以实现机械振动与交流电之间的相互转换,这一特性使得压电材料在传感器中得到了广泛的应用。压电材料是一种新型且常见的智能材料,在国防军工、机械设计等领域都有着广泛的应用。但是由于压电材料具有力电耦合特性,缺陷不仅影响压电材料的力学性能,还对它的电学性能影响巨大。本文基于线弹性理论,在线弹性范围内对含有圆形孔洞缺陷的带形压电介质和含圆形孔洞的双相带形压电介质中的SH导波散射问题进行分析。然后在解析方法基础上,运用有限元软件分析解决了含有复杂孔洞或夹杂的带形弹性介质对SH导波的散射问题。结合解析法与有限元法相结合的方法解决带形弹性介质中非圆形孔洞及夹杂,无限多个孔洞及夹杂对SH导波的散射问题。本论文所涉及的主要工作可以概括为以下四个部分:(1)研究了含圆形孔洞的带形压电介质中SH导波的散射问题。对于带形介质中的反平面问题,首先运用累次镜像叠加法,推导出满足带形压电介质水平边界条件的SH型导波及由导波激发的电位势函数表达式;给定入射导波,通过圆孔周边应力自由边界条件建立起求解问题积分方程组,得到了动应力集中系数与电场强度系数解析表达式;最后,通过具体算例分析了圆孔位置、入射波频率等参数对电场强度系数和动应力集中系数的影响。(2)研究了含圆形孔洞的带形双相压电介质中SH导波的散射问题。对于带形双相介质中的反平面问题,先将双相带形压电介质沿垂直边界分成两个参数不同的单相压电介质;然后构造Green函数,在垂直边界上任意位置假设出平面线源荷载,利用圆形孔洞周边的连续性条件求解此问题积分方程组的未知系数,最后得到线源荷载作用下压电介质中位移函数与电位势函数的表达式。SH导波水平入射作用下,利用累次镜像法对波函数表达式进行构造,使其满足带形介质水平边界上应力自由与电位移自由条件;最后,在双相介质交界处的垂直边界上分别施加未知出平面外力系和平面内外电场,对积分方程组进行处理并求解。通过具体算例分析了圆孔位置、入射波频率、孔洞与竖直界面距离等参数对双相带形压电介质中圆形孔洞附近电场强度集中系数与应力强度集中系数的影响。(3)研究了含复杂类型孔洞的带形弹性介质中SH导波的散射问题。首先,运用累次镜像叠加法,推导出满足水平边界应力自由的SH导波;给定入射导波,通过圆孔周边应力自由边界条件建立起求解问题积分方程组,得到了动应力集中系数与电场强度系数解析表达式;最后,运用COMSOL软件模拟了含有孔洞的带形弹性介质中SH导波散射问题,得到了与解析结果吻合的有限元结果。经过试算,选取合适参数及选取合适的划分网格来达到解析结果与有限元结果吻合。在验证了有限元方法的正确性与准确性之后,在有限元软件中改变孔洞数量,孔洞形状及边界形状来得到以往用解析解难以解出的各种复杂情况的孔洞周边的动应力集中分布结果。(4)研究了含复杂类型夹杂的带形弹性介质中SH导波的散射问题。首先,运用累次镜像叠加法,推导出满足水平边界应力自由的SH导波;利用圆形夹杂边界的连续性条件求解散射波表达式中的未知系数,然后通过算例分析研究了圆形夹杂边界附近应力强度集中系数;然后,运用COMSOL软件模拟了含有圆形夹杂的带形弹性介质中SH导波散射问题,得到了与解析结果吻合的有限元结果。在验证了有限元方法的正确性与准确性之后,在有限元软件中改变夹杂数量或加入某段不同弹性参数的介质(如焊缝)来得到以往用解析解难以得到及解出的各种复杂情况的孔洞周边的动应力集中分布图。
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