近日，我中心谭宇研究员在计算力学顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》（中科院1区，TOP期刊，IF：7.2）上发表了题为“Phase field model for brittle fracture in multiferroic materials”的研究论文，报道了多物理场耦合条件下多铁性材料断裂行为研究新进展。成都理工大学为该论文第一完成单位，西南交通大学李翔宇教授为论文通讯作者。论文合作者包括西南交通大学助理教授刘畅、博士研究生贺宇翔、香港中文大学赵晋生博士和四川大学李佩栋副教授。
图1：论文首页
多铁性材料是一种由压磁材料和压电材料复合制成的新型智能材料，具备优异的压磁、压电和电磁耦合效应，可快速实现磁信号、电信号和机械信号的相互转换，在生物医药、能源电力、航空航天等领域展现出广阔的应用前景。然而，多铁性材料通常呈脆性且断裂韧性较差，在磁、电和机械荷载作用下极易发生断裂，影响相关设备的正常运行甚至使设备完全失效。因此，准确预测多铁性材料的断裂行为、量化裂纹扩展过程对相关结构安全性的不利影响成为亟待解决的关键科学问题。
针对多铁性材料的脆性断裂问题，该论文结合虚位移原理和热力学第二定律，引入AT1、AT2两种相场模型，考虑磁场、电场和弹性场的耦合关系，建立了可预测多铁性材料从裂纹萌生、扩展到断裂失效全过程的断裂相场模型。特别是，该论文构建了一种新的能量密度表达形式，在相场框架下首次引入了电磁不可穿透、电可穿透磁不可穿透、电不可穿透磁可穿透和电磁可穿透四种理想电磁边界条件，并推演了相应的多铁性材料本构方程。同时，该论文发展了一种磁-电-弹性力学框架下的裂纹扩展数值算法，建立了基于有限元法的模拟平台，相较于“一遍过”交替算法大幅提升了计算效率和准确性。
图2：不同外加磁场作用下多铁性材料的裂纹扩展路径
图3：不同电磁边界条件下多铁性材料的荷载-位移响应
该论文通过数值模拟系统研究了多物理场耦合条件下多铁性材料的断裂行为，揭示了外加磁场、电场和裂纹面电磁边界条件等因素对裂纹扩展的影响规律，厘清了多铁性材料裂纹萌生和扩展的演化机制。研究发现多铁性材料的荷载-位移响应、裂纹扩展路径等关键断裂特征均受电磁边界条件和外加电磁场的调控。该论文所构建的断裂相场模型可处理不同维度、不同荷载条件下多铁性材料的裂纹扩展问题。该研究成果将为多铁性材料及其元器件在复杂环境下的安全服役提供有力支撑。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cma.2023.116193
