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徑向非均勻壓電介質中圓孔對SH波的散射*

2017-06-07 08:21:19張希萌孫學良
爆炸與沖擊 2017年3期
關鍵詞:裂紋

張希萌,齊 輝,孫學良

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

徑向非均勻壓電介質中圓孔對SH波的散射*

張希萌,齊 輝,孫學良

(哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

利用復變函數理論對SH波作用下含圓孔徑向非均勻壓電介質的反平面動力特性進行了研究。壓電介質的密度沿徑向按冪函數形式變化,但壓電參數、彈性參數、介電參數均為常數。利用變量替換法將非均勻壓電介質的變系數波動方程組轉化為標準的Helmholtz方程組,得到了滿足邊界條件的波函數解析表達式。通過數值算例分析了入射角度、入射波頻率、冪次等對應力集中系數和電場強度集中系數的影響,并與已有文獻進行比較。結果表明,某些參數組合下,動應力集中系數與電場強度集中系數均隨冪次增大而增大。

徑向非均勻壓電介質;反平面動力特征;SH波;動應力集中系數;電場強度集中系數

壓電材料可以制造成執行器或傳感器等智能元件,廣泛應用于國防工業與實際生活中。由于壓電材料中力學與電學性質相互耦合,在SH波作用下壓電材料中夾雜或圓孔等缺陷處的動應力集中及電場強度集中問題也比一般材料更復雜。近年來,許多學者對缺陷問題進行了研究,并取得了豐富的成果[1-12]。X.F.Li等[1]基于電磁材料彈性理論研究了徑向非均勻性的壓電壓磁球殼的靜態響應問題;時朋朋等[2]利用分離變量法和Hilbert核奇異積分方程理論研究了功能梯度壓電壓磁雙材料的周期界面裂紋問題;靳靜等[3]利用積分變換法和奇異積分方程技術研究了壓電壓磁雙材料界面裂紋的二維斷裂問;舒小平[4-5]基于等效單層理論的位移場和電勢場求解了正交壓電復合材料層板在各類邊界條件下的解析解;宋天舒等[6-7]研究了雙相壓電介質中圓孔與界面裂紋相互作用的動力學問題。但是,以上工作中大部分是關于徑向非均勻介質的靜態響應問題的求解,對含圓孔的壓電介質在SH波作用下的動態響應問題,目前仍未見報道。

1 控制方程

圖1 含圓孔徑向非均勻壓電介質模型Fig.1 Model of the radial inhomogeneouspiezoelectric medium with a circular cavity

(1)

式中:w和φ分別為壓電材料的位移和電勢,ω為SH波的圓頻率。令φ=e15(w+f)/κ11,對式(1)化簡得:

(2)

波數滿足:

(3)

(4)

(5)

本構方程為:

(6)

式中:τrz和τθz分別為非均勻壓電介質的徑向應力和切向應力,Dr和Dθ分別為圓孔中電場的徑向電位移和切向電位移。

2 介質中的位移場

SH波散射過程中,入射波引起的壓電材料位移win表達式為:

(7)

散射波引起的壓電材料位移ws表達式為:

(8)

(9)

散射波引起的電場附加函數fs表達式為:

(10)

式中:Bn和Cn為系數。由此得到:

(11)

式中:上標“in”、“s”分別表示物理量與入射波、反射波相關。圓孔內部存在電場,滿足方程:

(12)

式中:fc為圓孔內部的電場附加函數。求解式(12)可得:

(13)

式中:Dn和En為系數。由此可得:

(14)

式中:上標“c”表示物理量與圓孔中空氣形成的電場相關。

3 邊界條件與定解方程

圓孔處的邊界條件為:

(15)

利用以上邊界條件式(15)建立關于An、Bn、Cn、Dn、En的方程組:

(16)

式中:

(17)

將式(16)取有限截斷項,等式兩邊同時乘以e-imθ(m=0,±1,±2,±3,…),從(-π,π)進行積分得到多元一次方程組,從而求解出未知系數An、Bn、Cn、Dn、En。

4 動應力集中系數與電場強度系數

(18)

式中:

5 算例分析

圖2 方法驗證(與文獻[7]比較)Fig.2 Verification of the present method(compared with reference [7])

圖3 SH波入射角度不同時動應力集中系數的變化Fig.3 Varition of DSCF around the circular cavity edge by SH-wave with different incident angles

圖4 SH波水平入射時圓孔周邊動應力集中系數隨波數ka的變化情況Fig.4 DSCF around circular cavity edge vs.ka by horizontal SH-wave

圖5 SH波垂直入射時圓孔周邊動應力集中系數隨波數ka的變化情況Fig.5 DSCF around circular cavity edge vs.ka by vertical SH-wave

圖6 SH波水平入射時圓孔周邊動應力集中系數隨λ變化情況Fig.6 DSCF around circular cavity edge vs. λ by horizontal SH-wave

圖7 SH波水平入射時圓孔周邊動應力集中系數隨冪次β的變化情況Fig.7 DSCF around circular cavity edge vs. β by horizontal SH-wave

圖8 SH波垂直入射時圓孔θ=π/2處動應力集中系數隨ka的變化Fig.8 DSCF around circular cavity edge vs. ka by vertical SH-wave

圖9 SH波以不同角度入射時圓孔周邊電場強度系數的變化情況Fig.9 Variation of EFICF around circular cavity edge by SH-wave with different incident angles

圖10 SH波水平入射時圓孔周邊電場強度系數隨λ的變化情況Fig.10 EFICF around circular cavity edge vs. λ by horizontal SH-wave

圖11 SH波水平入射時圓孔周邊電場強度系數隨β變化情況Fig.11 EFICF around circular cavity edge vs. β by horizontal SH-wave

圖12 SH波水平入射時圓孔θ=π/2處電場強度系數隨波數ka變化情況Fig.12 EFICF at the circular cavity edge vs. ka by horizontal SH-wave

6 結 論

[1] Li X F, Peng X L, Lee K Y. The static response of functionally graded radially polarized piezoelectric spherical shells as sensors and actuators[J]. Smart Materials and Structures, 2010,19(19):035010.

[2] 時朋朋,霍華頌,李星.功能梯度壓電/壓磁雙材料的周期界面裂紋問題[J].力學季刊,2013,34(2):191-198. Shi Pengpeng, Huo Huasong, Li Xing. Periodic interfacial cracks in a functionally graded piezoelectric/piezomagnetic bimaterials[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2013,34(2):191-198.

[3] 靳靜,馬鵬.壓電壓磁雙層材料界面裂紋斷裂特性進一步分析[J].工程力學,2013,30(6):327-333. Jin Jing, Ma Peng. Further analysis for fracture behaviors of an interfacial crack between piezoelectric and piezomagnetic layers[J]. Engineering Mechanics, 2013,30(6):327-333.

[4] 舒小平.球殼與柱殼之功能梯度壓電涂層的熱效應分析[J].中國機械工程,2011,22(24):2993-3000. Shu Xiaoping. Thermal response of functionally graded piezoelectric coatings on sphere and cylinder shells[J]. China Mechanical Engineering, 2011,22(24):2993-3000.

[5] 舒小平.正交壓電復合材料層板各類邊界的解析解[J].工程力學,2013,30(10):288-295. Shu Xiaoping. Analytical solutions of cross-ply piezoelectric composite laminates with various boundary conditions[J]. Engineering Mechanics, 2013,30(10):288-295.

[6] Hassan A, Song T S. Dynamic anti-plane analysis for two symmetrically interfacial cracks near circular cavity in piezoelectric bi-materials[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2014,35(10):1261-1270.

[7] 宋天舒,劉殿魁,于新華.SH波在壓電材料中的散射和動應力集中[J].哈爾濱工程大學學報,2002,23(1):120-123. Song Tianshu, Liu Diankui, Yu Xinhua. Scattering of SH-wave and dynamic stress concentration in a piezoelectric medium with a circular hole[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2002,23(1):120-123.

[8] 楊在林,黑寶平,楊欽友.徑向非均勻介質中圓形夾雜的動應力分析[J].力學學報,2015,47(3):539-543. Yang Zailin, Hei Baoping, Yang Qinyou. Dynamic analysis on a circular inclusion in a radially inhomogeneous medium[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2015,47(3):539-543.

[9] 齊輝,楊杰.SH波入射雙相介質半空間淺埋任意位置圓形夾雜的動力分析[J].工程力學,2012,29(7):320-327. Qi Hui, Yang Jie. Dynamic analysis for shallowly buried circular inclusions of arbitrary positions impacted by SH-wave in bi-material half space[J]. Engineering Mechanics, 2012,29(7):320-327.

[10] 林宏,劉殿魁.半無限空間中圓形孔洞周圍SH波的散射[J].地震工程與工程振動,2002,22(2):9-16. Lin Hong, Liu Diankui. Scattering of SH-wave around a circular cavity in half space[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2002,22(2):9-16.

[11] 丁曉浩,齊輝,趙元博.含有直線裂紋的直角域中橢圓形夾雜對SH波的散射[J].天津大學學報,2016,49(4):415-421. Ding Xiaohao, Qi Hui, Zhao Yuanbo. Scattering of SH-wave by elliptic inclusion in right-angle plane with beeline crack[J]. Journal of Tianjin University, 2016,49(4):415-421.

[12] 李冬,宋天舒.含圓孔直角域壓電介質的動力反平面特性[J].哈爾濱工程大學學報,2010,31(12):1606-1612. Li Dong, Song Tianshu. Dynamic anti-plane behavior for a quarter-infinite piezoelectric medium with a subsurface circular cavity[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010,31(12):1606-1612.

(責任編輯 王玉鋒)

Scattering of SH-wave by a circular cavity in radial inhomogeneous piezoelectric medium

Zhang Ximeng, Qi Hui, Sun Xueliang

(CollegeofAerospaceandCivilEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,Heilongjiang,China)

The dynamic anti-plane behavior of the radial inhomogeneous piezoelectric medium with a circular cavity under the SH-wave was investigated using the complex function theory. It was assumed that the density of the piezoelectric medium varied as a power-law function on the radial distance but the elastic parameters, the piezoelectric parameters, and the dielectric parameters all remained as constants. The wave equations of the inhomogeneous piezoelectric medium were converted to the standard Helmholtz equations by variable substitution and the analytical expression of the wave function satisfying the boundary condition was obtained. The influence of the incident angle, the frequency of incident wave and the power of the power-law function, etc. on the dynamic stress concentration factor and electric field intensity concentration factor was analyzed and compared with the existing references in the calculated example. The numerical results show that the values of the dynamic stress concentration factor and the electric field intensity concentration factor increase as the power increases with combination of certain parameters.

radial inhomogeneous piezoelectric medium; dynamic anti-plane behavior; SH wave; dynamic stress concentration factor; electric field intensity concentration factor

10.11883/1001-1455(2017)03-0464-07

2015-11-23;

2016-06-24

黑龍江自然科學基金項目(A201404)

張希萌(1989- ),男,博士研究生; 通信作者: 齊 輝,qihui205@sina.com。

O343.4 國標學科代碼: 13015

A

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