压电智能复合材料以其独特的优点在工程应用中有着广泛的应用。压电材料可以通过输入电压的控制来实现对其所附着的材料的变形。利用这一特点,压电材料被制成压电片粘贴于复合材料层合板表面,实现对层合板进行形状和抑制结构损伤断裂行为的控制。复合材料具有强度高、质量轻的优点,但是由于其易发生损伤的原因,通过在其表面或层间添加压电片,可以起到传感器检测损伤的作用。本文在复合材料层合板有限元静力分析程序系统的基础上,考虑了压电效应,并引入界面胶单元,从而实现了程序系统对表面粘贴压电片的复合材料层合板结构的静力分析,开展界面断裂行为的数值分析等研究工作。本文程序以压电复合材料的有限元原理为基础,并通过一种改进的胶结单元,将压电片与层合板相连接,通过推导压电片在有电压输入的时候所产生的等效面内力和等效弯矩,将等效面内力转换为总等效弯矩组装到层合板总载荷中。因为压电智能复合材料的界面裂纹问题通常是由弯曲所导致,本文通过两个算例的分析,发现本文的压电复合材料有限元程序对简单的层合板弯曲驱动并控制其弯曲变形有着较好的效果。同时,在压电片与复合材料层合板的工艺制造工程中,由于基体复合材料和压电材料的性质不匹配,粘结界面容易产生应力集中发生断裂而产生微小的裂纹,随着裂纹进一步扩展将导致整个智能结构的功能失效。本文通过压电智能复合材料的界面应力位移场进行分析,应用J积分的方法研究添加了增韧层的界面断裂分析性能。压电片与层合板之间通过添加增韧层可以保证层间的强度,然而,不同材料性质的增韧层可以对于含有层间裂纹的层合板有着不同的效果。本文建立含有界面裂纹的压电复合材料有限元模型,采用等效积分区域法,计算了不同压电片类型及不同粘结层厚度、弹性模量的情况下,对裂纹尖端的J积分值及裂纹尖端附近的应力的影响。计算结果表明,粘结层越厚后I、II型断裂模式下的裂纹尖端J积分值、应力场均降低,而且II型断裂模式下的降幅显著。本论文工作得到国家自然科学基金“考虑界面破坏的压电智能复合材料结构的失效机理(10872038)”和“中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUTIIZD(G)01)”资助。
