非均匀热载荷作用下功能梯度梁的非线性静态响应

由于功能梯度材料结构沿厚度方向的非均匀材料特性,使得夹紧和简支条件的功能梯度梁有着相当不同的行为特征。该文给出了热载荷作用下,功能梯度梁非线性静态响应的精确解。基于非线性经典梁理论和物理中面的概念导出了功能梯度梁的非线性控制方程。将两个方程化简为一个四阶积分-微分方程。对于两端夹紧的功能梯度梁,其方程和相应的边界条件构成微分特征值问题;但对于两端简支的功能梯度梁,由于非齐次边界条件,将不会得到一个特征值问题。导致了夹紧与简支的功能梯度梁有着完全不同的行为特征。直接求解该积分-微分方程,得到了梁过屈曲和弯曲变形的闭合形式解。利用这个解可以分析梁的屈曲、过屈曲和非线性弯曲等非线性变形现象。最后,利用数值结果研究了材料梯度性质和热载荷对功能梯度梁非线性静态响应的影响。     

含裂纹功能梯度Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁的屈曲载荷计算与分析

含裂纹构件的屈曲载荷是结构是否安全的判定准则之一, 其计算与分析也是结构健康监测和安全评价中关注的重要问题。基于Euler-Bernoulli梁理论和Timoshenko梁理论, 建立了一种求解含裂纹功能梯度材料梁的屈曲载荷计算方法。首先裂纹导致的构件截面转角不连续性由转动弹簧模型进行模拟, 再根据功能梯度材料Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁的屈曲控制方程及其闭合解, 由传递矩阵法建立了求解含裂纹功能梯度材料梁在多种边界条件下屈曲载荷的循环递推公式和特征行列式, 使问题通过降阶的方法得到快速准确的解答。数值算例研究了剪切变形、 裂纹的不同数目及位置、 材料参数变化、 长细比和不同边界约束条件等对含裂纹功能梯度材料梁屈曲载荷的影响。结果表明该方法可以简单、 方便和准确地计算不同数目裂纹和任意边界条件下功能梯度材料梁的屈曲问题。      

功能梯度Levinson圆板弯曲解的均匀化和经典化表示

基于Levinson三阶剪切变形理论,研究了材料性质沿厚度任意连续变化的功能梯度材料圆板的轴对称弯曲问题。首先,建立了功能梯度材料圆板在Levinson板理论下轴对称弯曲问题位移形式的控制微分方程,其中考虑了拉-弯耦合和三阶剪切变形效应。然后,利用载荷等效关系以及均匀板的经典理论控制微分方程,导出功能梯度圆板在Levinson剪切变形理论下弯曲解与经典理论下均匀圆板的挠度之间的解析转换关系,给出了转换系数的计算公式。由此,可将功能梯度材料圆板在Levinson三阶剪切理论下的弯曲问题转化为相应均匀薄圆板在经典理论下的弯曲问题求解,以及转换系数的计算问题。     

用Timoshenko梁修正理论研究功能梯度材料梁的动力响应

采用Timoshenko梁修正理论研究了功能梯度材料梁的动力响应问题,利用静力方程确定了功能梯度材料梁的中性轴位置,在此基础上应用Timoshenko梁修正理论建立了功能梯度材料梁的振动方程,求得其自振频率表达式及其在简谐荷载作用下强迫振动的解析解。讨论分析了中性面位置、梯度指数等因素对功能梯度材料梁的动力响应的影响,并用有限元法验证了Timoshenko梁修正理论。通过实例计算,得到了中性轴位置对功能梯度材料梁动力响应有较大影响的结论。     

热冲击下轴向运动FGM梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论研究两端夹紧、一端夹紧一端简支、两端简支三种不同边界条件下的轴向运动功能梯度材料(FGM)梁在热冲击载荷作用下的自由振动响应。利用Hamilton原理推导热冲击下轴向运动FGM梁的自由振动控制微分方程,并采用分离变量法求解一维热传导方程。通过微分求积法(DQM)在梁的长度方向进行离散,将原方程转化为四阶广义特征值问题,求解FGM梁自由振动的无量纲固有频率并进行特性分析。考虑了不同热冲击载荷,不同梯度指数和不同轴向运动无量纲速度对FGM梁自振频率的影响。结果表明:热冲击载荷越大,对降低FGM梁的固有频率的效果越明显;在轴向运动速度和热流输入不改变的情况下,逐渐增大材料梯度指数会使FGM梁的固有频率随之减小;FGM梁对热冲击短时间内有减缓作用,相对于均匀材料一阶失稳所需时间更长,受到热冲击的FGM梁在轴向运动时也更快达到失稳状态。     

功能梯度Levinson梁自由振动响应的均匀化和经典化表示

在两端简支边界条件下,给出了Levinson高阶剪切变形理论下功能梯度材料(FGM)梁的固有频率与参考均匀Euler-Bernoulli(E-B)梁的固有频率之间的解析转换关系。假设FGM梁的材料性质沿着梁的高度任意连续变化,通过分析FGM Levinson梁和均匀E-B梁的自由振动控制方程以及边界条件在数学上的相似性,推导出了用参考均匀E-B梁的固有频率表示的FGM Levinson梁的固有频率的解析式;从而,将复杂的耦合微分方程边值问题的求解简化为一些与梁的材料非均匀特性及几何特性有关的系数的计算问题。从而实现了Levinson剪切变形理论下FGM梁的振动响应的经典化和均匀化表示,可为工程应用提供便利。     

多孔功能梯度梁的热-力耦合屈曲行为

采用经典欧拉梁理论和高阶三角剪切变形理论,研究了多孔功能梯度梁的热-力耦合屈曲行为。分析中考虑了材料物性与温度的相关性,采用含孔隙率的Voight混合模型描述了多孔功能梯度的材料属性。利用迭代算法求解结构在均匀、线性和非线性温升(考虑热传导效应)下的热-力耦合屈曲临界温度,讨论了材料非均匀参数、孔隙率和长细比等参数对屈曲临界温度的影响。ABAQUS数值模拟结果和文献对比结果验证了理论的可靠性,同时表明高阶剪切变形理论较经典欧拉梁理论精确。结果表明,功能梯度材料梁的热屈曲分析必须考虑物性与温度的相关性,否则可能高估热屈曲临界温度10%~30%;随着孔隙率增大,材料的等效弹性模量减少,即结构刚度有所弱化,但屈曲临界温度反而大大增高。     

复杂载荷下变刚度超静定梁快速解析求解

采用连续分段独立一体化积分法求解了复杂载荷下变刚度超静定梁的弯曲变形问题。该方法首先将梁进行连续分段,建立复杂载荷下变刚度梁的通用力学模型,从该模型推导出任一截面的具有四阶导数的挠度微分方程;然后独立积分四次,得到挠度的通解;再根据边界条件和连续性条件确定积分常数;编写了相应数学模型的求解解析解程序。在连续曲线形变刚度超静定梁模型建立和求解推导过程中,不需进行载荷和梁结构的简化。采用该方法求解了阶梯截面超静定梁,惯性矩按坐标平方规律变化超静定梁和惯性矩按坐标四次方规律变化超静定梁等三个工程实例的解析解。结果表明,连续分段独立一体化积分法编程程式化,与有限元法相比,其优越性是可以快速得到一体化的弯曲变形解析解。     

轴向功能梯度变截面Timoshenko梁自由振动的研究

功能梯度材料可以提高结构的强度、改善质量分布和保证工程结构的完整性,因此轴向功能梯度变截面梁已广泛应用于土木、机械和航空工程。提出了用插值矩阵法计算轴向功能梯度Timoshenko梁自由振动固有频率;基于Timoshenko梁理论,将轴向功能梯度Timoshenko梁自由振动固有频率的计算转化为一组非线性变系数常微分方程特征值问题;运用插值矩阵法可一次性地计算出轴向功能梯度变截面梁各阶振动固有频率,并可同时获取相应的振型函数。该方法对于材料梯度函数和截面几何轮廓的具体形式无任何限制条件,计算结果与现有结果对比,发现吻合良好,表明了该方法的有效性。     

基于正弦剪切变形理论的功能梯度材料三明治微梁的静动态特性

基于修正的偶应力理论和正弦剪切变形梁理论,研究了功能梯度材料三明治微梁的静态弯曲和自由振动行为。考虑两种不同类型的功能梯度材料三明治微梁,根据哈密顿变分原理建立其静动态力学行为的控制方程,应用Navier解法,得到了简支边界条件下弯曲变形和振动频率的解析解,同时,给出了固支等边界条件时的里兹法求解过程。数值算例表明,功能梯度三明治微梁的静动态力学行为具有明显的尺度效应,微梁的无量纲厚度、功能梯度指数、长厚比和结构形式等因素对其静动态响应有很大影响,相关结果和规律对功能梯度材料三明治微梁的结构设计和性能优化等实际工程应用具有一定的指导意义。      

Closed-form solutions for axially functionally graded Timoshenko beams having uniform cross-section and fixed–fixed boundary condition

In this paper, we study the free vibration of axially functionally graded (AFG) Timoshenko beams, with uniform cross-section and having fixed–fixed boundary condition. For certain polynomial variations of the material mass density, elastic modulus and shear modulus, along the length of the beam, there exists a fundamental closed form solution to the coupled second order governing differential equations with variable coefficients. It is found that there are an infinite number of non-homogeneous Timoshenko beams, with various material mass density, elastic modulus and shear modulus distributions having simple polynomial variations, which share the same fundamental frequency. The derived results can be used as benchmark solutions for testing approximate or numerical methods used for the vibration analysis of non-homogeneous Timoshenko beams. They can also be useful for designing fixed–fixed non-homogeneous Timoshenko beams which may be required to vibrate with a particular frequency.     

湿-热-机-弹耦合FGM梁的稳定性及振动特性

研究了初始轴向机械载荷作用下Winkler-Pasternak弹性地基上功能梯度材料（FGM）梁在湿-热环境中的稳定性及振动特性。假设温度和湿度沿梁厚度方向稳态分布,材料的物性依赖于温度且按Voigt混合幂律模型连续分布。首先,基于一种扩展的n阶广义梁理论,应用Hamilton原理,统一建立了以轴向位移、弯曲变形项挠度及剪切变形项挠度为基本未知函数FGM梁的屈曲及自由振动方程,采用Navier解法获得了FGM简支梁静动态响应的精确解。其次,通过算例验证并给出了该广义梁理论阶次n的理想取值,丰富梁理论的同时,可供验证或改进其他各种剪切变形梁理论。最后,着重探讨了3种湿-热分布下湿度与温度增加、初始轴向机械载荷、跨厚比、地基刚度、梯度指标等诸多参数对FGM梁稳定性和振动特性的影响。     

曲梁弯扭屈曲分析

本文基于有限变形理论导出了薄壁曲梁位移和应变的一般表达式。从探讨薄壁曲梁弯扭屈曲的变形模态出发,考虑其弯矩作用平面内变形的影响,利用变分原理导出了曲梁稳定分析的基本微分方程。稳定分析表明,即使绕弱轴弯曲,曲梁也可能发生弯扭屈曲。对于曲率甚小的情况,本文把曲梁看作为具有初曲率的直梁,较精确地分析了初曲率对直梁弯扭屈曲临界弯矩的影响。此外,本文给出的闭合解与Timoshenko,Vlasov及Chai Hong Yoo等人的结果进行了比较,指出了其间差异的根源所在。     

Analytical solution for functionally graded magneto-electro-elastic plane beams

This paper investigates the plane stress problem of generally anisotropic magneto-electro-elastic beams with the coefficients of elastic compliance, piezoelectricity, dielectric impermeability, piezomagnetism, magnetoelectricity, and magnetic permeability being arbitrary functions of the thickness coordinate. Firstly, partial differential equations governing stress function, electric displacement function and magnetic induction function are derived for plane problems of anisotropic functionally graded magneto-electro-elastic materials. Secondly, these functions are assumed in forms of polynomials in the longitudinal coordinate and can be acquired through a successive integral approach. The analytical expressions of axial force, bending moment, shear force, average electric displacement, average magnetic induction, displacements, electric potential and magnetic potential are then deduced. Thirdly, problems of functionally graded magneto-electro-elastic plane beams are considered, with integral constants being completely determinable from boundary conditions. A series of analytical solutions are thus obtained, including the solutions for beams under tension and pure bending, for cantilever beams subjected to shear force applied at the free end, and for cantilever beams subjected to uniform load. These solutions can be easily degenerated into the solutions for homogenous anisotropic magneto-electro-elastic beams. Finally, a numerical example is presented to show the application of the proposed method.     

考虑热对材料参数影响的FGM梁热后屈曲特性研究

功能梯度梁热后屈曲特性研究对于推进功能梯度材料在航天器热防护设计中的应用有着重要意义。基于经典梁的几何非线性理论和物理中面的概念,建立了热载荷作用下功能梯度梁的运动微分方程,通过化简得到一个仅关于挠度的四阶微分-积分方程,并与固支边界条件构成特征值问题,分析研究了功能梯度梁的热后屈曲及在此基础上的振动问题。首先证明了通过哈密顿原理推导的运动方程是轴线可伸长理论的近似形式。接着考虑热对材料物性参数的影响,并对梁的长细比、功能梯度指数和温度比作了详细分析,研究了这些参数对热后屈曲路径和后屈曲振动的影响规律。结果表明:只有在长细比较大时才可以不考虑温度对材料物性参数的影响,否则误差较大;长细比、功能梯度指数和温度比的增大会增大无量纲热屈曲载荷,同时使屈曲路径和频率-载荷曲线向热载荷增大的方向移动。     

功能梯度梁静力与动力分析的格林函数法

功能梯度梁静动态响应的数值分析方法一般局限于有限元法,存在有限元法的固有缺点,有必要发展新的数值求解方法。将功能梯度梁静力分析的控制微分方程转化为与匀质材料梁静力分析控制微分方程相一致的形式,并利用匀质材料梁静力问题的格林函数,开展功能梯度梁的静力分析。在此基础上,进一步推导获得功能梯度梁的柔度矩阵,据此建立功能梯度梁的运动方程,开展功能梯度梁的动力特性分析和动力响应分析。数值算例表明,采用格林函数法可以高效准确地分析功能梯度梁的静力响应与动力行为,验证了方法的计算精度与效率。     

Analytical solution of a cantilever functionally graded beam

The problem of a cantilever functionally graded beam subjected to different loads is studied. In terms of Airy stress function a general two-dimensional solution is presented for a cantilever functionally graded beam, assuming that all the elastic moduli of the material have the same variations along the beam-thickness direction. Explicit expressions of analytical solutions to some specific examples under different boundary conditions are obtained to demonstrate the usefulness of the proposed general solution technique. This solution will be useful in analyzing functionally graded beam with arbitrary variations of material properties and it can serve as a basis for establishing simplified functionally graded beam theories.     

钢-混凝土预制混合梁变形性能研究

基于两端固定边界条件下预制混合梁的静力受弯试验,研究了此类预制构件在跨中集中荷载作用下的变形性能。采用奇异函数法建立了预制混合梁的挠曲线计算公式,分析了钢梁与混凝土梁抗弯刚度比、长跨比以及高跨比对变形性能的影响。结果表明:各试件考虑剪切变形影响的挠度计算值与试验值吻合较好,与预制混凝土梁相比,剪切变形对预制混合梁变形性能影响更为显著;由剪切变形引起的附加挠度与总挠度比值随长跨比增加呈线性增长趋势,相同长跨比下其比值随高跨比的增加而增大;建议预制混合梁在高跨比大于1/12时考虑剪切变形的影响。