压电断裂行为开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告题目名称： 压电断裂行为有限元分析 学 院： 机械工程学院 专业年级： 机械设计制造及其自动化03级 姓 名： 吴永红 班级学号： 1-27 指导教师： 孙丽霞 江旭东 二六 年 三 月 二十八 日一、课题研究的目的意义及国内外研究概况1. 压电材料的应用现状随着现代高科技的迅猛发展，智能结构和器件广泛应用于信息技术、新材料技术和航天等高技术领域，并日益显示出其巨大的优越性。众所周知,当发生机械变形时,压电介质中将产生电场；当其受到电场作用时，将会产生机械变形。由于这种独特的力电耦合性质，压电介质广泛用于先进智能结构设计中，如传感器、制动器等。实际应用中，压电材料一般分为压电晶体、压电纤维、压电陶瓷和压电聚合物等几类。压电陶瓷现已广泛地应用在精密仪器、医疗设备和航空领域中,由其制成的传感器和执行器主要起着精确定位、振动分离和噪声控制的作用。2. 压电材料面临的问题及课题研究的目的意义为了达到有效地控制结构的目的,往往要施加大的交变电压,致使压电材料表现出很强的非线性,同时也使压电陶瓷容易发生断裂失效。建立压电材料的微裂纹萌生、扩展、直至材料破坏的损伤演化过程模型，解释压电材料及其产生破坏的根本原因，为工程设计人员提供一个完整的可靠性分析的理论依据，以便于工程人员的使用和对元器件的优化设计，是研究人员需要解决的工程问题。3. 国内外研究概况早期的工作者首先对压电介质的力电耦合的静动力特性以及含缺陷如裂纹、孔洞、夹杂等的压电介质的破坏力学进行了一系列的研究。而自20世纪80年代末至今，随着现代高科技发展的需要，含缺陷压电介质的破坏分析更成为人们关注的焦点，关于这方面的文献层出不穷。已有许多研究者采用线性断裂力学的方法研究压电陶瓷的断裂现象,如Pak , Sosa , Park 和Sun ,Kumar 和Singh 及Zhang 等。但是,如果用能量释放率或J 积分作为断裂准则,则不能解释Park 和Sun得到的实验现象,对裂纹垂直于材料单畴化方向的试件,正电场(与单畴化方向一致的电场) 促进裂纹的扩展,而负电场阻止裂纹的扩展。由线性断裂力学得到的结论是,无论作用正的或负的电场,裂纹的扩展都受到抑制。Park 和Sun 认为陶瓷的断裂主要是机械行为,建议用机械能释放率作为断裂准则,并由此得到了与实验结果相一致的断裂载荷的计算值。但Kumar 和Singh对其机械能释放率计算方法提出了疑问,认为计算结果有误。有的研究者,如Kumar 和Singh及Zhang等认为应改进裂纹面的边界条件,将绝缘的边界条件改为可导电的,在作用负电场时还应考虑裂纹面间的接触影响。但即使这样,导出的解析解或数值解也不能解释实验现象。因此，到目前为止，还没有普遍使用的断裂准则。二、课题的主要内容1. 分析计算PZT-4材料平面中心裂纹的应力强度因子建立含中心裂纹的PZT-4材料模型，并进行适当简化，并施加拉应力和电势，分析压电材料在力电载荷的作用下裂纹扩展的能量释放率。在进行有限元模拟的过程中，采用PZT-4的材料参数，使用ANSYS进行分析。2. 分析计算PZT-4材料平面中心裂纹的机械应变能释放率（J积分）同样要建立含中心裂纹的PZT-4材料模型，并进行适当简化，并施加拉应力和电势，分析压电材料在力电载荷的作用下机械应变能释放率。3. 模拟压电陶瓷PZT-4的紧凑拉伸实验和三点弯试验（1）首先对型断裂有限元模拟及结果分析。模拟紧凑拉伸实验，将计算数据和实验结果比较。（2）然后对混合模式断裂有限元模拟及结果分析。模拟三点弯实验，将计算数据和实验结果比较。最后作出结论。三、课题研究的关键问题及解决的思路1. 课题研究的关键问题（1）断裂准则的选择。到目前为止，作为压电材料的断裂准则有应力强度因子、总能量释放率和机械应变能量释放率。用不同的断裂准则进行数值分析，得到的结果可能不同，甚至矛盾。（2）对压电陶瓷PZT-4断裂的有限元模拟。有限元分析得到的结果是一种近似数值解，它与精确解或真实解之间必然存在误差。2. 解决的思路（1）对压电陶瓷PZT-4材料的紧凑拉伸实验和三点弯实验进行模拟，着重分析用断裂准则对裂纹偏折的判断。（2）采用较密的网格分割模型，并注意采用较好的单元形态即尽量采用接近等边三角形或正方形单元，这样可以减少误差。四、预期的成果通过毕业设计学会综合运用断裂力学基础知识和有限元法来分析问题和解决实际问题的方法和基本思路，使自己受到工程设计和科学研究的初步训练,并拥有独自设计和解决问题的能力。在课题进行过程中,握机械系统CAE分析的一般方法及一般规律。重点是学会综合运用断裂力学及有限元法等专业知识分析工程实际问题的方法及工作思路。掌握资料收集及整理的方法；能够独立完成机械结构的CAE分析；通过对机械结构的计算机模拟，分析结构的力学性能。五、进度安排表1 毕业设计进度安排一览表周次设计（论文）各周任务过程简述一寻找实习单位并进行毕业实习 联系实习单位二进行毕业实习并完成实习报告搜集和整理与毕业设计相关的背景资料三撰写开题报告收集并整理设计所需的相关资料四熟悉断裂力学及有限元分析理论参考相关资料 五学习有限元软件ansys熟悉Ansys基本操作六学习有限元软件ansys学会用Ansys进行分析七完成英文翻译收集相关英文资料，加以选择并进行翻译八结构有限元分析学习应力强度因子断裂理论 九结构有限元分析学会应力强度因子的确定 十结构有限元分析分析计算PZT-4材料平面中心裂纹的应力强度因子十一结构有限元分析学习能量释放率断裂理论十二结构有限元分析分析计算PZT-4材料平面中心裂纹的机械应变能释放率（J积分）十三结构有限元分析模拟压电陶瓷PZT-4的紧凑拉伸实验十四结构有限元分析模拟压电陶瓷PZT-4的三点弯试验十五编写设计说明书，打印图纸，刻录光盘编写设计说明书，刻录光盘十六毕业答辩准备并进行毕业答辩六、参考文献1 潘亦苏, 陈大鹏压电陶瓷非线性断裂的有限元分析，西南交通大学学报，2000年，第5期第35卷：4514562 高庆断裂力学，重庆：重庆大学出版社，19863 曾攀有限元分析及应用，北京：清华大学出版社，20044 胡仁喜，王庆五、闫石等Ansys8.2机械设计高级应用实例，北京：机械工业出版社，20055 商跃进有限元原理与ANSYS应用指南，北京：清华大学出版社，20056 阚前华，谭长建，张娟ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发，北京：电子工业出版社，20067 陈美英，赵明皥，李娜，魏星介质中型裂纹的断裂研究，机械强度，2006，28（3），4014058 张双寅，李国耀复合材料梁型裂纹的有限元分析，计算机构力学及应用，1995.8，Vol.12No.3，2612669 苏建华，徐永利，陈汴琨高品质高稳定性压电陶瓷的发展与展望，压电与声学，1995.6，Vol.17 No.3，353910 雷和荣，俞吉林虚裂纹扩展法计算法J积