外加电场作用下层状铁电多晶材料板的模拟

建立了一个模拟在外加电场作用下的层状铁电多晶板的模型．该模型认为铁电材料的能量密度函数是变形和电位移的非凸函数以及引入了畴变对材料行为的影响．为了满足各晶粒间的运动学约束及电位移场的连续性条件,模型认为每个晶粒具有某种混合构形．通过常应力和常电场强度假设及利用加载过程中须满足的连续性条件,该模型将求解板对外加电场的响应问题转化为求解各晶粒中的应力及各晶界上的电位势的代数方程组的问题．同时,该模型利用两电畴的Ｇｉｂｂｓ自由能之差作为畴变的方向的判据,由要求板的Ｇｉｂｂｓ函数最小来确定畴变量的大小．     

压电材料非线性本构关系及有限元实施

通过对试验结果的分析 ,提出经过简化的压电陶瓷PZT 4的非线性本构关系 ,建立相应的有限元计算方法 .以多重复合式压电材料启动器为例 ,计算电荷载作用下的电畴翻转、反向极化和反向电致屈服等非线性响应 ,从而对压电材料启动器的工作特性有所了解 ,并对它的破坏机理的研究提供一些启示 .     

开路和短路电学边界外延铁电薄膜的畴结构及铁电性能

考虑基体对外延铁电薄膜内畴变的约束,采用应力函数方法求解外延铁电薄膜畴变时的本征应力,并结合相场法分析了不同电学边界条件下铁电薄膜的畴结构与极化强度.对短路电学边界下PbTiO_3外延铁电薄膜畴结构的计算表明,由a畴到a/c/a畴转变时的薄膜厚度与采用有限元方法模拟的结果十分接近.通过对开路电学边界下铁电薄膜畴结构的分析发现,由a畴到a/c/a畴转变时的薄膜厚度远大于短路条件下的转变厚度.基体约束引起的应力变化使得薄膜内畴结构出现a畴和a/c/a畴的分层.铁电薄膜的平均自发极化强度随厚度的增加而增加,从a畴向多畴转变后,极化强度有显著的增加.     

压电／铁电陶瓷材料夹杂问题的力电耦合场

无限大基体中的椭球体夹杂问题是细观力学的核心问题。采用Eshelby方法，得到通过Green函数表征的压电Eshelby张量的表达关系；进而推导以应变及电位移为自变量的无限大基体中的同性及异性椭球体夹杂的力电耦合场问题解以及压电夹杂的约束张量。为建立铁电材料电畴翻转模型及材料的非线性力电耦合本构关系奠定基础。     

铁电材料P-E本构关系

铁电材料的极化机制包括：位移极化，转向极化．位移极化正比于外加电场；将电畴的固有电矩在极化方向按玻尔兹曼能量取加权平均得到转向极化．由此推出一个简单的解析表达式，表达了铁电材料极化强度P与外电场E的本构关系．将该解析表达式的结果与文献给出的电滞回线实验数据进行比较，2者符合得非常好．该解析表达式对磁滞回线的模拟效果也非常令人满意。     

铁电单晶材料力电耦合性能模型

铁电材料是一类典型的非线性材料。作者借助晶体塑理论的方法,采用铁电畴结构的非完全连续反转模式,考虑畴壁移动的能量耦散与外力做功及内能变化的平衡关系,建立起单晶铁电材料的电畴反转模型,以期作为确立多晶铁电陶瓷本构关系的基础,计算结果表明该模型能较好地描述铁电单晶地非线性力电耦合行为。     

铁电纳米颗粒相变中的尺寸效应

由铁电纳米颗粒和介电质基体组成的复合材料具有很多功能特性，这些特性可广泛用于新型电子和能量收集装置。然而，铁电颗粒的形状，尺寸和在介电质基体中的取向对这些功能的影响还没有被研究清楚。在本文中，利用了一种中尺度建模方法，模拟了具有极性，弹性和热自由度的铁电纳米复合材料的性质，以及这些性质对尺寸，形状和取向的依赖性。本文在时间依赖的朗道金兹堡理论方法上应用多物理场耦合的有限元方法，来模拟嵌入介电质中的孤立PbTiO3或BaTiO3纳米颗粒中的极化行为。从模拟结果可知，铁电纳米颗粒的尺寸和材料，以及周围电介质的材料都会对平衡极化场产生影响。对于不同尺寸和材料参数的组合，极化场表现为：单畴，涡旋畴和多畴状态。模拟结果还表明存在一个临界尺寸，低于该尺寸时铁电性消失。对于PbTiO3和BaTiO3颗粒，该尺寸分别为3.3nm 和4.8nm。     

金属材料循环加载本构关系有限元模型的二次开发

金属材料多轴循环本构关系与加载路径强烈相关,只有建立路径相关的金属弹塑性本构关系模型,才能对复杂的多轴循环载荷下的机械零部件进行准确的应力应变分析和疲劳寿命预测。基于增量理论,建立金属材料弹塑性本构关系的有限元模型,并利用Ansys有限元软件下的UPFs对Ansys单元本构关系进行了二次开发。最后对二次开发的单元本构关系模型与Ansys自身材料库模型进行了算例对比,开发的单元本构关系模型计算结果准确可靠,可以进行金属材料循环加载下的应力应变分析。     

[210]cub切型弛豫铁电单晶PMN-32PT电畴研究

利用偏光显微镜研究了电场对弛豫铁电单晶PMN-32PT电畴组态的影响．结果表明,对于[210]cub切型单晶,当施加的电场强度为0kV·cm^-1时,透明区域呈三方畴形态;当施加电场强度为6kV·cm^-1时,诱导出单斜相;但继续增加电场强度至10kV·cm^-1时,晶体没有呈现单斜相的单畴形态,亦无其他相变;此后,将电场强度减小至5kV·cm^-1时,单斜相消失,说明该单斜相是亚稳态的．     

铁电-铁弹材料的非线性本构关系及其有限元实施

分析了铁电-铁弹材料在极化过程中的滞回曲线, 根据以往的实验结果提出了一系列假设, 建立了电致屈服与应力屈服准则和等向强化模型, 提出了在屈服阶段增量形式的流动法则, 用唯象的方法提出了力-电耦合的非线性本构关系, 推导了适用于有限元计算的非线性本构关系的矩阵格式. 计算了矩形的铁电-铁弹材料试件在电场作用下从初始未极化状态至过极化状态, 然后在单轴压力作用下的去极化过程. 并与实验结果进行了比较.     

砂土速率相关黏性特性的有限元分析

根据复杂加载条件下饱和砂土排水平面应变压缩试验,分析了砂土的速率相关的黏性特性.试验发现砂土存在显著的加载速率效应、蠕变变形和应力松弛,并且在应变速率突变、蠕变或应力松弛之后,以新的应变速率重新加载时呈现出高刚度行为.针对砂土的变形强度特性提出了一种非线性有限元计算方法,砂土本构关系采用了三要素弹黏塑性本构模型.将有限元计算结果与试验结果进行比较,表明建议的有限元计算方法不仅可以较为精确地模拟砂土的平均应力-应变关系,同时也可以模拟包含变应变速率加载、蠕变加载、应力松弛加载的全过程黏塑特性.     

J积分法计算压电材料平面问题的能量释放率和强度因子

运用压电材料的广义变分原理推导出了压电材料平面应变问题的有限元列式，并且采用Ｊ积分法计算了压电材料平面应变断裂问题的能量释放率Ｇ．然后，用Ｓｏｓａ的平面问题裂端渐近解作为辅助场，用有限元数值解作为真实场，由推广的交互Ｍ积分法求得了应力强度因子ＫⅠ、ＫⅡ及电位移强度因子ＫⅣ．算例表明，计算结果与理论解符合得很好     

缺口根半径对NiTi形状记忆合金缺口前应力-应变分布和马氏体相转变的影响

用有限元法(FEM),计算不同缺口根半径的NiTi形状记忆合金紧凑拉伸试样在加载-卸载单次循环载荷下缺口前的应力-应变分布和马氏体体积分数.计算表明:4个特征载荷,即加载时缺口尖端A向M转变开始和结束时的载荷以及逆转变M向A转变开始和结束时的载荷,均随着缺口根半径的增加而增大.在相同特征载荷下,缺口前端区的最大正应力yσy和等效应变ε以及相应于马氏体相变的应力平台的长度均随着缺口根半径的增加而增大.缺口前端的马氏体体积分数随着到缺口尖端距离的增加逐渐下降,在特征载荷下,随着根半径增加,马氏体体积分数增加,发生马氏体相转变的区域增大.     

铁电相变的简谐子软模图像

在自由边界条件下计算了立方钛酸钡有限尺寸晶体中原子的简谐振动模 ,发现许多简谐子软模。用这些软模花样说明了晶体冷却时发生具有a畴和c畴结构的铁电相变。理论表明铁电相变过程涉及屏蔽电荷的激发及其在界面的缓慢扩散 ,以最后得出各个电畴内部的均匀自发极化。铁电相变过程的这些细节 ,都得到了实验的有力证明     

无限大功能梯度压电材料中反平面 Yoffe型运动裂纹

假设裂纹面上的边界条件为电渗透型的,从而导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体的状态方程;利用Fourier变换给出了无限大压电体中位移、应力、电势、电位移的解析表达式;并求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子及电场强度因子,分析了不同的非均匀材料系数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响.     

基于ANSYS的复合材料等效介电常数数值模拟

在ANSYS中建立随机分布模型,利用有限元方法计算模型中的电场强度、电位移矢量,通过本构方程法求解得到添加相对应不同百分含量的等效介电常数,将计算结果与经典的公式计算结果进行比较.在此基础上建立的不同的计算模型,研究了复合材料等效介电常数的影响因素.     

铁电材料力-电非线性电滞与蝴蝶曲线综合模型研究

铁电材料固有的电畴结构和极化反转特性引发宏观非线性行为,即极化电滞曲线和应力蝴蝶曲线,且由于材料、制备技术、电路系统等限制因素使得行为曲线出现不对称、中心偏移等现象,使得目前常规模型很难精确、有效地描述铁电系统的真实特性。针对此问题,提出一种适用于铁电材料的综合含参数模型用以有效模拟力、电及耦合非线性行为。该模型基于现有铁电模型理论并引入异化参数而形成,可广泛适用各类铁电曲线中存在的不对称和偏移等异化现象;此外,为了有效预测综合模型中多个未知特性参数,通过设计遗传算法程序实现其精确优化识别,为进一步提高模型预测精确性和实用性提供必要条件;最后,分别开展了虚拟试验和真实试验仿真模拟验证,结果表明:采用优化参数综合模型的模拟误差均可控制在10%以内,相较于传统模型方法可提高约50%。因此,该模型方法可广泛用于实际铁电材料特性行为的描述,且具有较好的应用前景。     

乙烯-四氟乙烯薄膜循环拉伸的黏弹塑性本构模型

对250μm厚乙烯-四氟乙烯(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene,ETFE)薄膜进行了单轴循环拉伸试验,通过试验得出ETFE薄膜的应力应变曲线,基于宏观现象和各向同性材料小应变假设,推导了适用于ETFE薄膜单轴循环拉伸第1次加载和卸载的本构方程,编写了采用两步法确定本构方程中参数的程序,利用程序模拟了ETFE薄膜在循环拉伸状态下第1次加载和卸载的应力应变关系.通过与试验得到的应力应变关系对比分析,验证了该本构方程和程序的正确性.提出的ETFE薄膜的本构方程可以较为准确地预测ETFE材料的应力应变关系,为ETFE薄膜结构的分析和计算提供参考.     

压电、压磁球对称问题振动分析

考虑压电、压磁材料在球坐标系下，不计体力、体电荷和体电流的情况下，由运动方程、梯度方程、压电和压磁的本构方程导出外激励作用下应力、应变、位移、电位移、电场强度、电位势、磁感应强度、磁场强度和磁位势等各量的稳态解．并给出了具体实例的边界条件，从而可为压电、压磁材料空间球对称动力控制问题提供良好的理论依据．     

不同缺口尺寸试样在不同加载速率下缺口前的应力应变分布

用动态有限元法计算了两种不同缺口尺寸的16MnR钢试样(3V,3I),在-110℃和v=1～500mm/min时的不同加载速率下三点弯曲(3PB)时的试样缺口根部应力、应变及应变率的分布.研究结果表明,3PB加载时加载速率对缺口前应力、应变和应变率影响的总体规律与四点弯曲(4PB)加载时相同;3PB加载下直缺口试样(3I)的整体屈服载荷及缺口前的应力、应变和应变率值比V缺口试样(3V)大;3I与3V缺口前的峰值正应力σyymax之差随加载速率v和外加载荷P/Pgy的增加而增大,表明尖锐缺口试样(3I)的应力提高对加载速率和外加载荷更敏感.