研究背景：
压电材料在制造及加工过程中，常会产生孔洞和裂纹等宏观缺陷。这些缺陷在力、电等多场耦合作用下，会导致应力集中和电场集中现象，进而导致缺陷扩展，甚至造成压电元件失效。随着压电结构的广泛应用，其力电失效问题对结构的可靠性与安全性构成了显著挑战。研究压电材料的力电耦合破坏机制并建立相应的缺陷预测模型，对结构安全评估具有重要意义。
研究简介：
研究创新地融合了近场动力学算子方法与电弹性理论，提出了不连续压电固体静/动态问题的非局部力电耦合模型。该模型将电弹性理论从局部微分形式重构为非局部积分形式，并采用变分原理和拉格朗日方程建立隐式求解格式。通过研究力电耦合载荷作用下无缺陷与含缺陷压电板的变形和自由振动问题，验证了非局部力电耦合模型的有效性、收敛性和计算精度。此外，进一步分析了压电效应对含缺陷压电固体固有频率的影响。首先，本研究采用构建的非局部力电耦合模型，分析了含电不可通裂纹压电方板的变形问题。该方板选用PZT-PIC 151材料，其位移、电势、应力与电位移云图如图1所示。由图1可见，位移与电势在裂纹表面呈现不连续性，应力与电位移在裂纹表面则趋于零，这特征与电不可通裂纹是边界条件一致。此外，所提模型的计算结果数值稳定，未出现明显的数值振荡现象。
图1 含电不可通裂纹压电方板的位移、电势、应力、电位移云图
其次，通过所提模型分析了含电可通裂纹压电方板的变形问题。该方板选用PZT-PIC 151材料，其位移、电势、应力与电位移的云图如图2所示。由图2可见，位移在裂纹表面呈不连续性，而电势保持连续；应力在裂纹表面趋于零，电位移在裂纹表面则相等。这些特征与电可通裂纹的边界条件吻合。结合图1与图2可知，所提模型能够有效预测不同裂纹面边界条件下含裂纹压电结构的变形问题。
图2 含电可通裂纹压电方板的位移、电势、应力、电位移云图
该模型进一步被用于研究含裂纹压电方板的自由振动问题。该方板选用PZT-4材料，其前六阶全位移模态如图3所示。由图3可见，全位移模态未出现数值振荡现象，证明了力电耦合模型在求解模态位移时的可靠性。
图3 含裂纹压电方板的前六阶全位移模态
本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队共同完成，将团队优势特色方向近场动力学与力电耦合问题相结合，为全面深入研究不连续压电固体力电耦合问题提供了新的思路。相关成果于2025年8月发表在期刊《International Journal of Mechanical Sciences》上。本团队学术带头人黄丹教授为论文通讯作者，团队博士生信玉岩为论文第一作者。论文的其他重要合作作者包括本团队青年骨干教师李志远和团队博士生陆炎洲。
本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12402236, 12072104）、江苏省自然科学基金项目（No. BK20241507）、国家资助博士后研究人员计划项目（No. GZC20240376）以及江苏省“青蓝工程”项目的资助。
《International Journal of Mechanical Sciences》主要致力于发表机械工程、土木工程以及材料工程的原创性研究成果。在中科院最新分区表中，该刊分区为工程技术类1区，最新影响因子为9.4。
撰稿：信玉岩
审核：陆映如