梯度功能材料薄板瞬态势弹性弯曲有限元分析

用层合板有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的新型梯度功能材料薄板的瞬态热弹性弯曲应力问题,并对本方法的正确性进行了检验。讨论了加热、冷却热边界条件以及两种力学边界条件（固支和简支）对梯度功能材料薄板的瞬态热弹性弯曲应中国科学院分布的影响,发现：（1）在加热过程中,简支板低温金属侧出现较大压应力;在冷却过程中,简支板高温陶瓷侧出现较大拉应力;且其拉、压应力会随着板上、下表面温差的增大而增大。（2）无论简支板还是固支板,在冷却过程中,沿整个厚度板内部压应力均较大。（3）在本文的相同条件下,固支板比简支板更适合高温、大温差的使用环境。     

梯度功能材料板瞬态温度场有限元分析

采用有限元法与有限差分法相结合的方法,对梯度功能材料板的瞬态温度场进行了分析,并且通过ＺｒＯ２和Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ组成的梯度功能材料对本方法的正确性进行了检验,最后给出了加热、冷却过程的瞬态温度场分布。     

对流换热边界下梯度功能材料板瞬态热传导有限元分析

用有限元法与有限差分法相结合的方法，对处在对流换热边界条件下的梯度功能材料板的瞬态热传导问题进行了分析，并且通过对ZrO2和Ti－6Al-4V组成的梯度功能材料板对本方法的正确性进行了检验，最后给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布。数值计算结果表明：材料组成的分布形状系数M、环境介质温度和对流换热系数的变化对梯度功能材料板的瞬态温度场分布有明显的影响。本文结果为梯度功能材料的优化设计和进一步的热应力分析提供了理论计算依据。     

梯度功能材料物性值推定与热应力的分析

为推动梯度功能材料(FGM)的发展,本文论述了经验复合准则,微观力学的近似方法等推定物性值的一般方法,并进一步将模糊逻辑应用于FGM的物性值推定;另外,还对球形、无限长圆筒,无限大平板等形状的FGM中的热应力分布作了近似计算。     

梯度功能材料板热弹性分析模型

建立了梯度功能材料板的热弹性分析模型。考虑到梯度功能材料的材料性能沿板厚变化,参照复合料层合板将其沿板厚分为若干层,当层数足够多时,各层材料性能可视为常值。通过引入温度沿板厚折线假设和在位移场中考虑截面翘曲,显著改善了这类问题解的精度。算例显示了文中模型的精度和已有分析方法的不足,讨论了分层数的选取。     

梯度功能材料热弹性应力的研究进展

介绍了近年来国外有关梯度功能材料热弹性应力问题的最新研究进展，评述了所采用的研究方法的特点。     

Al_2O_3-Ti系梯度功能材料残余热应力的有限元分析

采用有限元方法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）对Ａｌ２Ｏ３－Ｔｉ系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了线弹性分析。详细讨论了梯度层数目、梯度层厚度和成分梯度指数对应力大小和分布的影响，确定了各项最佳参数。非梯度功能材料（ＮＦＧＭ）与优化后的梯度功能材料的残余热应力对比结果显示：梯度功能材料缓和热应力的效果十分显著。     

对流换热边界下梯度功能材料板瞬态热传导有限元分析

用有限元法与有限差分法相结合的方法 ,对处在对流换热边界条件下的梯度功能材料板的瞬态热传导问题进行了分析 ,并且通过由ZrO2 和Ti 6A1 4V组成的梯度功能材料板对本方法的正确性进行了检验 ,最后给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布。数值计算结果表明 :材料组分的分布形状系数M、环境介质温度和对流换热系数的变化对梯度功能材料板的瞬态温度场分布均有明显的影响。本文结果为梯度功能材料的优化设计和进一步的热应力分析提供了理论计算依据。     

对流换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态温度场有限元分析

用有限元法和有限差分法相结合的方法,分析了由 ZrO₂和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板在对流换热边界条件下的非线性瞬态热传导问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下的瞬态温度场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较。结果表明:在精确计算瞬态温度场分布时,变物性是影响梯度功能材料板瞬态温度场的最重要因素之一。此外,材料组分的分布形状系数、环境介质温度和对流换热系数的变化对变物性梯度功能材料板的瞬态温度场分布均有明显的影响。此结果为材料设计和进一步的热应力分析提供了准确的计算依据。     

不同变形状态下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用非线性有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的变物性梯度功能材料板的对流换热瞬态热应力问题,与已有文献比较检验了方法的正确性,给出了该材料板在不同变形状态下的瞬态热应力分布,并与常物性时的结果进行了比较。结果表明:无限自由长板内的热应力最小;当无限长板只能伸长、不能弯曲时,板内瞬态拉应力最大;当无限长板伸长、弯曲受限时,板内的瞬态压应力最大;考虑变物性时的最大拉应力比常物性减小48.9%,最大压应力减小39.6%;此外,对流换热系数的变化对不同变形状态下该变物性材料板瞬态热应力场的影响显著。此结果为该材料的设计和应用提供了准确的理论计算依据。     

薄板弯曲振动的杂交动态有限元法

从Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ－Ｒｅｉｓｓｎｅｒ变分原理出发,将位移、应变、应力场分离为零阶场与频率相关的高阶场,对位移场和应力场独立插值,导出了薄板弯曲振动的杂交动态有限元列式。数值算例表明,本文方法简单、有效。     

梯度涂层材料中裂纹问题的非均匀元分析

本文采用非均匀等参有限元的方法研究了薄膜梯度涂层/均匀基材中的界面裂纹问题,并与双材料界面裂纹情况进行了对比计算。研究表明:在均匀基材上采用梯度涂层,与双材料相比可以有效地降低裂尖场应力强度因子;同时还分析了涂层厚度与梯度参数对界面应力强度因子的影响。结果表明:当薄膜厚度大于或等于裂纹长度时,应力强度因子(K_I、K_Ⅱ)对其尺度的变化显得不敏感;对梯度参数的影响而言,当材料性能曲线的幂指数m大于1时,裂尖场的应力强度因子K_Ⅱ相对K_I很小且基本不随m变化,因此裂尖场与均匀材料情况类似;当m小于1时,应力强度因子K_Ⅱ随m减小而急剧增大,裂尖场由K_I及K_Ⅱ控制,断裂趋于混合型。     

双向梯度复合材料板瞬态热应力分析

该文通过编写一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型,采用细观力学方法结合混合律准则描述了双向梯度单元变化的热物理属性。分别采用有限单元-有限差分法和有限单元法分析了在循环热载荷作用下双向梯度板Al 1100/Ti-6Al-4V/ZrO2的瞬态热传导和热弹性问题,给出了温度场和瞬态热应力场的时间响应历程和空间分布形式。最后讨论了相关参数的影响规律,得到了一些重要的结论：冷却阶段更加容易萌生表面裂纹;沿x方向组分的分布形式影响了瞬态热应力的大小,但对其时间响应和分布形式影响很小;沿y方向组分的分布形式影响了瞬态热应力的时间响应和分布形式,但对其大小影响很小。     

薄板弯曲和振动分析的区间B样条小波有限法

基于二维张量积区间B样条小波及小波有限元理论,研究了用于薄板静动力学分析的区间B样条小波有限元法。在小波有限元用于薄板分析的列式过程中,采用区间B样条小波尺度函数对横向位移场逼近,从矩形和斜形薄板静动力学势能泛函出发,由变分原理得到小波有限元求解方程。该方法具有B样条函数数值逼近精度高和多种用于结构分析的小波基函数的特点。数值算例表明:区间B样条小波有限元法能以很少的计算自由度获得与其它方法同样的计算精度。     

一个有效的厚薄板通用COONS曲面矩形元

本文采用板壳有限元Coons曲面法和挠度位移与转角位移导数相关构造法构造出一个有效的厚薄板通用矩形单元,并直接给出位移场形函数;其推导简单易行,灵活多样,几何意义直观,力学概念清晰,并具有一般性。在薄板极限情况下,本文厚薄板通用单元自动退化为一个性能良好的薄板Coons曲面矩形元,不出现剪切闭锁现象。数值计算表明:本文构造的厚薄板通用单元具有较高的计算精度和良好的收敛性。     

化学镀制备功能梯度材料的实验研究

提出采用低温化学镀工艺方法制备陶瓷/金属功能梯度材料的设想, 利用自制的化学镀装置对制备SiC/Ni-P FGM 进行了实验研究。结果表明, 通过优化化学镀工艺, 调整施镀时间和SiC 微粒的添加速度及添加量等参数, 可以合适地控制材料镀层的厚度和成分梯度分布。功能梯度材料的微观结构和力学性能等都与材料成分梯度分布之间有很好的对应关系。     

功能梯度矩形板的强非线性共振分析

针对陶瓷-金属功能梯度矩形板,在给出非均匀材料应力-应变关系及非线性几何方程的基础上,应用虚功原理导出了横向简谐激励力作用下功能梯度板的非线性振动偏微分方程。对于四边简支约束功能梯度矩形板,通过位移函数的设定,利用伽辽金积分法推得了关于时间自变量的达芬型强非线性振动方程。针对强非线性系统的主共振问题,应用改进的多尺度法进行解析求解,得到了稳态运动下的幅频响应方程。通过数值算例,给出了功能梯度矩形板共振下的幅频曲线图和相图,讨论了激励幅值及频率等参数对系统非线性振动特性的影响,并对改进多尺度法和经典多尺度法的结果进行了比较。