Application of the hybrid complex variable method to the analysis of a crack at a piezoelectric-metal interface

Abstract

A plane strain problem for an electrically conducting interface crack between linear transversely isotropic piezoelectric and isotropic elastic conductor materials under remote mechanical loading is considered. The attention is focused on a hybrid complex variable method which combines the Stroh formalism for piezoelectric materials with the Muskhelishvili formalism for conducting isotropic elastic materials. This method is illustrated in detail for the open crack model and the contact zone crack model. Using special presentations of mechanical quantities via sectionally analytic functions, a combined Dirichlet–Riemann and Hilbert boundary value problem is formulated and solved analytically. Stress intensity factors as well as the crack tip energy release rate are found in a clear analytical form. Furthermore, transcendental equations for the determination of the realistic contact zone length and the location of the first interpenetration point have been obtained. A significant influence of the external mechanical loading on the crack opening and the stresses as well as the contact zone and interpenetration region lengths is observed. The dependencies of the mentioned values on the intensities of the mechanical loading are presented in tables and associated diagrams. Розглянуто задачу плоскої деформації для міжфазної електропровідної тріщини між лінійним поперечно-ізотропним п'єзоелектриком та ізотропним пружним провідником при механічному навантаженні. Акцентується увага на комбінованому комплексно-змінному методі, що поєднує в собі формалізм Стро для п'єзоелектричних матеріалів з формалізмом Мусхелішвілі для ізотропних еластичних матеріалів. Цей метод детально проілюстровано для моделі відкритої тріщини і моделі тріщини з контактною зоною. Використовуючи спеціальні представлення механічних величин за допомогою кусково-аналітичних функцій, формулюється та аналітично розв'язується комбінована крайова задача Діріхле – Рімана та Гільберта. Коефіцієнти інтенсивності напружень, а також швидкість вивільнення енергії знаходяться в аналітичній формі. Крім того, отримані трансцендентні рівняння для визначення реалістичної довжини зони контакту та розташування першої точки взаємопроникнення матеріалів. Спостерігається значний вплив зовнішнього механічного навантаження на відкриття тріщини і напруги, а також зони контакту і довжини області взаємопроникнення. Залежність зазначених величин від інтенсивностей механічного навантаження представлена в таблицях і схемах.