Theoretical and experimental investigations of fatigue crack growth in ferroelectrics under cyclic electromechanical loading

循环机电载荷下铁电材料疲劳裂纹扩展的理论和实验研究

基本信息

项目摘要

Fatigue crack behaviour is of most importance for the assessment of reliability and durability of smart structures in engineering practice. The aim of the present research proposal is the qualitative explanation and the quantitative description of fatigue crack growth mechanisms in ferroelectric and piezoelectric ceramic materials. For this purpose an approach is planned, combining experimental investigations, theoretical modelling and numerical simulations. The main emphasis is on the fracture process zone, where domain switching phenomena induce nonlinear effects and control the failure mechanisms. Therefore, micromechanical and phenomenological constitutive models will be developed, implemented into FEM-codes and applied to simulate the fatigue crack behaviour under mechanical, electrical and combined loading. Experiments will be undertaken to investigate the nonlinear effect of domain switching and to measure fracture toughening and fatigue crack growth rates. Suitable fracture criteria and fatigue crack growth laws will be proposed and verified by experiments. The results will provide guidelines for component design and reliability evaluation of smart ferroelectric structures under cyclic electromechanical loading.
疲劳裂纹行为对于工程实践中智能结构的可靠性和耐久性评估至关重要。本研究计划的目的是定性解释和定量描述铁电和压电陶瓷材料中的疲劳裂纹扩展机制。为此,计划采用一种结合实验研究、理论建模和数值模拟的方法。主要重点是断裂过程区,其中域切换现象会引起非线性效应并控制失效机制。因此,将开发微机械和唯象本构模型,将其应用到有限元代码中,并应用于模拟机械、电气和组合载荷下的疲劳裂纹行为。将进行实验来研究域切换的非线性效应并测量断裂韧化和疲劳裂纹扩展速率。将提出合适的断裂准则和疲劳裂纹扩展规律并通过实验进行验证。研究结果将为循环机电载荷下智能铁电结构的组件设计和可靠性评估提供指导。

项目成果

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