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。     

热环境对FGM壳模态频率的影响

为了推动功能梯度材料(FGM)在高超音速飞行器热防护结构设计中的应用,旨在探讨不同温度场对热防护壳模态频率的影响,提供热防护壳动力学设计参考。从陶瓷金属基FGM的热物性参数模型入手,结合圆柱薄壳能量原理,建立FGM圆柱壳的模态方程。在此基础上,首先分析热物性参数变化规律对FGM壳模态频率的影响,然后探讨考虑热应力后不同热环境下FGM壳模态频率的变化规律。结果表明,FGM物性参数变化对模态频率的影响没有热力耦合影响明显;温度梯度300 K时,物性参数变化对模态频率起主导作用,反之温度梯度300 K时,热应力和热变形对模态频率起主导作用。     

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。     

材料属性温度相关变厚度FGM圆板自由振动DQM求解

基于一阶剪切理论和哈密顿原理,研究了功能梯度材料(FGM)变厚度圆板在热环境中的自由振动问题。假设材料性质沿厚度幂指数连续变化且材料属性与温度相关,推导了问题的运动微分方程。用微分求积法(DQM)计算了变厚度FGM圆板横向振动的无量纲频率,并与各向同性等厚度圆板的固有频率进行了比较。讨论不同均匀和非均匀温度场、材料梯度变化、厚度系数变化以及不同边界条件对FGM圆板固有频率的影响。     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析EI北大核心CSCD

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

变曲率FGM拱的面内自由振动分析

基于Euler-Bernoulli曲梁理论,考虑材料沿拱厚度方向呈梯度分布时中性层的改变,将变曲率功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)拱在弧线方向离散成多个曲拱单元。视每个曲拱单元为半径一定的圆弧拱单元,根据Hamilton变分原理推导出FGM圆弧拱单元的面内自由振动方程,进而求得了单元传递矩阵。利用传递矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)推导出变曲率FGM拱的面内自由振动特征方程,求解两端固定边界条件下变曲率FGM拱面内自由振动的固有频率,并将得到结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性。分析了曲率变化系数和材料体积分数变化系数对变曲率FGM拱的面内自由振动频率的影响。     

湿-热-机耦合作用下多孔功能梯度梁的振动及屈曲特性

采用一种拓展的n阶广义梁理论（GBT）,研究了轴向机械载荷作用下多孔功能梯度材料（FGM）梁在湿热环境中的振动及屈曲特性。考虑了材料的物性随温度变化,湿-热沿梁厚按三种不同类型分布,采用含孔隙率的修正Voigt混合率模型描述多孔功能梯度梁的材料属性,在宏-细观力学模型框架下应用Hamilton原理统一建立了系统的自由振动及屈曲方程,采用Navier法求解FGM简支梁的静动态响应。通过算例验证并讨论了GBT阶数n的理想取值,可用于丰富梁理论。探讨了湿热效应、湿-热-机耦合、孔隙率、材料梯度指标、跨厚比对FGM梁振动及屈曲特性的影响。结果表明:湿-热加剧降低了FGM梁的频率和临界载荷,且不同类型的湿热分布对其减小程度有显著差异;随着孔隙率增大,梁结构的整体刚度虽有所弱化,但在湿热环境中频率反而增大,稳定性增强;湿-热效应对多孔FGM细长梁频率和稳定性影响十分显著,但对短粗梁的影响比较有限。      

SiO2/环氧(E44)热膨胀性渐变的梯度功能材料(FGM)设计中的数学模型极其热应力分析

以基体树脂环氧(E44)为连续相，SiO2颗粒为分散相，设计了一种新型的热膨胀性渐变的梯度功能材料(FGM)，通过实验测定结合理论分析，确定了FGM材料组成与弹性模量、热膨胀系数及导热系数之间的关系式。应用经典层合板理论和热弹性力学理论分析了SiO2／环氧E44叠合层在稳态温度场内温度分布和热应力分布。结果表明，在稳态温度场内，FGM板的热应力分布依赖于体系的组成分布，当组成分布指数k=1时，最大热应力具有最小值。在该组成分布下，FGM板的热膨胀系数等各项性质都呈线性渐变。     

温度影响下Winkler-Pasternak弹性地基上多孔FGM矩形板的自由振动分析

基于经典薄板理论和Hamilton原理研究温度影响下Winkler-Pasternak弹性地基上多孔功能梯度材料(FGM)矩形板的自由振动特性。采用Voigt混合幂率模型和孔隙任意分布模型来表征多孔FGM矩形板的材料属性,并考虑多孔FGM矩形板内部均匀温升和材料具有温度依赖特性;应用物理中面推导弹性地基上多孔FGM矩形板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化;采用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,引入典型的六种边界在MATLAB统一编程且保证计算精度一致,经过迭代收敛,求解出无量纲固有频率;通过算例研究了边界条件、梯度指数、升温、孔隙率、长宽比、边厚比、无量纲弹性刚度系数和无量纲剪切刚度系数对多孔FGM矩形板振动特性的影响。     

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。     

二维Al1100/Ti-6Al-4V/SiC FGM板瞬态热传导问题

引入二维Al1100/Ti-6Al-4V/SiC FGM结构进行研究,根据热传导理论,从计算传热学的角度,研究第一类加热边界条件下FGM板瞬态温度场问题的有限元算法。采用变分有限元法和有限差分法推导出瞬态热传导有限元基本方程。应用有限元方法,编写计算程序,通过数值计算和分析,研究采用二维Al1100/Ti-6Al-4V/SiC FGM的热力学物性参数时二维FGM金属/金属/陶瓷平板在第一类加热边界条件下瞬态温度场随mx的变化规律。     

圆板状SiC/C功能梯度材料残余热应力特征有限元分析

功能梯度材料残余热应力的大小及分布对其性能有效发挥及长期稳定使用有着较大的负面影响,为了尽可能充分发挥材料性能,增加材料的使用寿命,需尽可能减小残余应力以及使其合理分布.本文采用ANSYS有限元分析软件对不同叠层工艺参数的等离子体第一壁候选材料--SiC/C功能梯度材料(FGM)的残余热应力进行了数值模拟,获得了使热应力有效缓和的较适宜的工艺参数,对实际研发制备目标材料也可提供一些理论参照.相关结果表明,适量增加梯度叠层数及中间梯度层厚度可逐步有效缓和残余热应力,同时,针对本文今后应用的仍以炭材料为主体的炭基陶瓷保护层复合SiC/C FGM而言,纯SiC层厚度应取较小值,而叠层成分分布指数应取0.8～1.0为宜.     

具有热应力缓和功能的梯度材料的特性评价技术

本文对作为超耐热材料的具有热应力缓和特性的梯度功能材料(FGM)的隔热性能、热疲劳特性、耐热冲击特性、热应力缓和性能以及梯度层的力学性质的评价原理、方法以及评价装备的现状进行了阐述:对梯度功能材料特性评价技术的发展方向及在我国的发展趋势也进行了简要论述。     

功能梯度材料的研究进展

一、功能梯度材料的发展现状及应用前景 功能梯度材料(Functionary Gradient Material,FGM)是最近几年刚发展起来的一类新材料。其概念最初是为了解决空天飞机的热防护问题由日本学者首先提出来的。据估算,空天飞机以8M的速度做巡航飞行时,机头外表面温度可高达1800℃,冲压发动机进口处的温度也可达1700℃;而这些部件的另一面则与低融点液态金属或液态氢相接触。传统的金属材料无法承受如此恶劣的工作环境,而耐热的陶瓷材料由于其脆性难以实际应用。金属与陶瓷并用是解决问题的可能途径。FGM的设计思想如图1所示:用陶瓷作为高温接触表面和隔热层,以使材料获得超耐热性;用金属作为被冷却的一面,以保证材料良好的导热性与力学强度;同时采用特殊工艺方法控制金属与陶瓷接合部位的成分、结构与孔隙率等来调整热膨胀系数,使之连续逐渐地变化和过渡。这样大大缓合了FGM在不均匀温度场中服役时的内部热应力,使之可在最高温度1700℃以上,两侧温差1000℃以上的恶劣环境中使用。所以FGM不仅是空天飞机的热防护系统,也是火箭发动机燃烧室。新型飞行发动机叶     

基于耦合扩展多尺度有限元方法的功能梯度材料热应力分析

以高效模拟功能梯度材料(FGM)微观非均质性对整体热力学性能的影响为研究目的,通过随机形态描述函数(RMDF)法和体积分数的指数分布建立FGM二维微结构,在此基础上,发展了FGM热应力分析的耦合扩展多尺度有限元方法(CEMsFEM)。该方法基于扩展多尺度有限元方法(EMsFEM)的基本思想,对温度场和位移场构造数值基函数,以把微观非均质材料性质带到宏观响应中。同时为了考虑泊松效应导致的不同方向间的耦合作用,在位移场数值基函数中增加了耦合附加项。通过数值基函数建立宏微观单元信息的映射关系,在宏观尺度求解有效方程,节约计算量。为了更好地考虑微观载荷的影响,把结构的真实响应分解为宏观响应和微观扰动,进一步推导出修正的宏观载荷向量。通过不同体积分数分布的FGM在不同载荷工况下的热应力分析算例验证了本文中方法的正确性和有效性,最后讨论了微结构的尺寸效应对结构热力学响应的影响。     

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。     

换热边界下梯度功能材料板瞬态热应力研究

用有限元和辛普生法,研究了由ZrO2和Ti-6Al-4V组成的梯度功能材料板的瞬态热应力问题,检验了方法的正确性,给出了对流换热边界下的瞬态热应力场分布.结果表明:材料组分的分布形状系数M、对流换热系数和环境介质温度的变化对该材料板的瞬态热应力场分布均有明显的影响;在本研究相同条件下,该材料无限自由长板在金属和陶瓷附近板内为压应力,而在板中部为拉应力.此结果为该材料的设计制备提供了准确的理论计算依据.     

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。     

二维A11100／Ti-6Al-4V／SiC FGM板瞬态热传导问题

引入二维A11100／Ti-6A1—4V／SiCFGM结构进行研究,根据热传导理论,从计算传热学的角度,研究第一类加热边界条件下FGM板瞬态温度场问题的有限元算法。采用变分有限元法和有限差分法推导出瞬态热传导有限元基本方程。应用有限元方法,编写计算程序,通过数值计算和分析,研究采用二维Alll00／Ti-6A1-4V／SiCFGM的热力学物性参数时二维FGM金属／金属／陶瓷平板在第一类加热边界条件下瞬态温度场随mx的变化规律．。     

热压烧结SiC/C功能梯度材料微观结构及热震性能研究

本文采用粉末冶金法中的叠层法在2000℃,40MPa的热压烧结条件下设计制备了无宏观缺陷的几类具有不同叠层数的块体SiC／C功能梯度材料（FGM）。所得样品结构的SEM图表明材料总体梯度特征显著,相比四层FGM样品,八层FGM样品梯度过渡趋于连续,其相邻层间界面相对模糊淡化,界面处的结合性能良好,十一层FGM样品梯度过渡更加连续线性,相邻层间界面已基本消失。500℃～室温循环淬水实验和有限元理论模拟均表明八层及大于八层的SiC／C FGM体系有效地缓和了内部热应力,具有良好的抗热震性能。