圧電セラミックスに対する損傷発展式の定式化と破壊解析への応用

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13750085
• Research Institution: Akita Prefectural University
• Principal Investigator: 水野 衛 秋田県立大学, システム科学技術学部, 助教授 (70239250)
• Keywords: 圧電セラミックス / 損傷力学 / き裂進展 / 二重片持ちはりモデル / き裂進展開始時間 / 破断ひずみ / 外部電界 / シミュレーション

Research Abstract

圧電セラミックスは繰り返し負荷を受ける電場・応力場の下で用いられ,その使用中に発達する材料内部の損傷は圧電セラミックスの変形・破壊特性に影響をおよぼす.そこで本研究では,この内部損傷を連続体損傷力学に基づく損傷変数で表し,変形・破壊解析への応用を検討した.
本年度は,昨年度に圧電セラミックスの疲労寿命におよぼす電界の影響を考慮して定式化した疲労損傷発展式,ならびに,修正立方体モデルを用いて損傷変数を導入した圧電構成式を連続体損傷力学に基づくローカルアプローチに適用する方法を検討した.そして,そのローカルアプローチを用いて各種電界の下でのき裂進展解析を実施し,き裂進展におよぼす電界の影響を検討した.
1.昨年度定式化した疲労損傷発展式をローカルアプローチに適用できるよう時間微分,ならびに,局所的な応力場・電場を用いた形で定式化を行った.また,この損傷発展式の妥当性を検討する目的から疲労寿命を予測し,十分な精度で疲労寿命を予測できることを確認した.
2.連続体損傷力学に基づくローカルアプローチを用いた簡易解析法として,二重片持ちはり(DCB)モデルを採用し,圧電構成式,ならびに,損傷発展式をこのDCBモデルに適用してき裂進展開始に対する簡易解析法の定式化を行った.また,計算機を用いた計算アルゴリズムの検討,ならびに,計算プログラムの開発を行った.
3.このDCBモデルを用いてき裂進展開始時間,き裂先端での破断ひずみ,ならびに,き裂先端前方での応力,ひずみ,損傷分布を求め,それらにおよぼす外部電界の影響を検討した.

Research Products

• [Publications] Mamoru MIZUNO: "Damage Evolution Equation of Piezoelectric Ceramics and its Application to Simplified Analysis of Crack Growth"Proceedings of 14th U. S. National Congress of Theoretical and Applied Mechanics. (in print). (2002)
• [Publications] Mamoru MIZUNO: "Constitutive Equation of Piezoelectric Ceramics Taking into Account Damage Development"Key Engineering Materials. Vols.233-236. 89-94 (2003)