复杂边界条件功能梯度板三维分析的半解析方法

推导出适应功能梯度材料构件分析的半解析方法基本算式,并针对功能梯度构件的材料参数随空间坐标变化的特点,将材料参数纳入到力学方程中进行整体积分计算,从而编制统一程序计算不同边界条件下的板件问题.该法适应性强而又简洁高效,且不同于一般的半解析法,可采用一维离散,给出三维分析结果,是一种解决功能梯度构件力学性能分析的有效数值方法.文中用半解析法分析几种具有不同复杂边界条件的功能梯度板,给出了板件的力学量三维分布形态.     

复杂形状功能梯度板件的三维动力特性分析

从细观力学角度出发根据材料细观组分分布对具有不同复杂形状功能梯度材料构件进行三维动力特性分析,并相应给出其三维固有频率及其基频对应的位移振型和应力振型沿厚度方向的三维分布。结果发现对同样材料细观组分分布的不同功能梯度结构,其固有频率和相应的振型分布均有很大差异。此结果为建立专门的功能梯度板壳理论提供定量的资料依据。     

沿板平面变异功能梯度板件的三维动力特性

功能梯度材料具有复杂的细部结构,其内部构造远比匀质材料复杂,因此其构件动力分析很难求得其解析解。文中建议一种新颖的功能梯度构件动力分析的细观元法。细观力学研究的目的在于建立材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,它可揭示不同的材料组合具有不同的宏观性能的内在机制。目前功能梯度板件分析只能处理材料特性沿厚度方向梯度变化,而细观元法则直接从制备时给定的材料组分分布出发计算构件宏观三维动力特性,并给出了沿板平面方向材料特性梯度变化的功能梯度板件三维固有频率及振型的三维分布。     

具有中等组分不同网状结构功能梯度构件的三维动力特性分析

功能梯度材料具有复杂的细部结构,其内部构造远比匀质材料复杂,因此其构件动力分析很难求得其解析解。该文建议一种新颖的功能梯度构件动力分析的细观元法。细观力学研究的目的在于建立材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,它可揭示不同的材料组合具有不同的宏观性能的内在机制。此法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析,而计算单元与自由度又等同一般常规有限元,却使得组成功能梯度材料构件的各种材料细观构造得到反映。通过细观元技术,对具有中等组分不同网状结构功能梯度构件进行三维动力特性分析,并给出其三维固有频率及振型的三维分布,特别是给出了不同网格结构功能梯度板件应力振型的平面等值线图差异。结果表明:不同细观网格结构对功能梯度材料结构三维动力响应有较明显影响。     

非均质梯度功能材料三维本构关系及宏细观结构分析

对非均质耐热梯度功能材料的结构与性能进行了研究。通过对陶瓷-金属梯度功能结构的分析,建立了宏、细观力学模型,并在此基础上导出了反映其宏观力学性能的三维本构关系。      

由材料组分直接计算功能梯度复合材料开孔板宏观响应的跨尺度分析

建议一种新颖的功能梯度构件分析的细观元法, 给出了方法模型、基本算式及特点与功能。细观元法对构件的常规有限单元内部设置密集细观单元以反映材料组分梯度变化, 又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度, 再上机计算。此法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析, 而计算单元与自由度又等同于常规有限元, 为解决功能梯度构件宏观、细观跨尺度分析提供了一种有效工具。本文中直接从制备时给定材料组分分布出发计算构件宏观响应, 给出了不同开孔形状与数量功能梯度板的力学量三维分布形态。      

任意梯度分布简支功能梯度板的三维弯曲分析

研究了正交各向异性功能梯度板的三维弯曲问题。假设材料参数沿板厚方向按同一函数规律变化,基于状态空间法,在板的上下表面作用机械载荷的情况下,获得了简支功能梯度平板弯曲问题的Peano-Baker 级数解。通过算例,验证了 Peano-Baker级数解的正确性,同时也分析了材料参数沿板厚方向为余弦函数分布时,不同梯度参数对平板响应的影响。结果表明Peano-Baker 级数解具有很好的收敛性。     

功能梯度材料与构件的静动力识别

功能梯度材料具有复杂的细部结构,其内部构造远比匀质材料复杂.因此,以目前的实验条件,测量功能梯度材料的参数分布是十分困难的.建议一种新颖的功能梯度构件分析的细观元法.细观力学研究的目的在于建立材料的宏观性能同其组分材料性能及细观构造之间的定量关系,它可揭示不同的材料组合及其变异所具有不同的宏观性能的内在机制.利用细观元法探讨功能梯度材料与结构的识别问题,即在已知实验测量的位移或固有频率的情况下,对功能梯度材料的组分分布及组成材料名称进行识别.     

功能梯度形状记忆合金细观力学本构模型

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloy, 简称FG-SMA)是一种新型功能梯度复合材料, 它兼备功能梯度材料和形状记忆合金(Shape Memory Alloy)两种材料的优异特性。该文根据细观力学的理论, 考虑材料的微观组成及相互作用, 建立了一个适合于描述FG-SMA材料力学性能的细观力学本构模型, 该模型可以准确的描述复杂载荷作用下FG-SMA的力学行为。应用这个模型, 该文详细分析了一个由弹性材料和SMA组成的FG-SMA梁在轴力和弯矩共同作用下的受力变形行为。由数值算例可知, 这种新型材料可显著减小载荷作用下的最大应力, 避免材料由于应力过大而导致的破坏。此外, FG-SMA还具有一些其它独特的性能, 可满足实际应用中一些特殊的需要。该文的研究结果可为该类材料的进一步研究提供基础, 为该类材料的应用提供依据。     

复杂约束三维功能梯度输流管道稳定性和临界流速分析

针对输流管道在恶劣的动力学环境所受到多方向载荷所引起的管道结构失效或破坏等问题,提出一种新型三维功能梯度材料构造输流管道来提升管道的载荷忍耐力。基于欧拉伯努利梁理论,考虑流体和管道的耦合关系,利用哈密顿变分原理建立复杂约束下三维功能梯度输流管道的运动微分方程。利用微分求积法求解,分析流体流速提升所引起的三维功能梯度输流管道振动的固有频率变化,当第一阶固有频率首次降低为0系统失稳,所对应的流体流速被确定为系统的临界流速。研究复杂约束线性和扭转弹簧刚度、轴向、径向和环向功能梯度指数等物理参数对输流管道振动频率和临界流速的影响。研究结果表明：当流速较小时,增加轴向功能梯度指数和降低径向和环向功能梯度指数会降低系统的基频和提高系统的临界流速;而当流速较大时,系统的基频随着三维功能梯度指数的变化会展现相反的趋势。增大三维功能梯度指数能降低系统的第二阶固有频率。这说明通过调节复杂约束和三维功能梯度参数能够实现对输流管道稳定性的调控。     

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。     

基于变分渐近法的功能梯度板高保真简化模型

为有效分析非均质功能梯度板在载荷下的力学性能, 基于变分渐近方法(VAM)建立高保真简化模型。根据Hamilton扩展原则建立功能梯度板的三维能量方程;利用板固有小参数将三维能量渐近扩展为系列二维近似能量方程, 从而将三维各向异性弹性问题简化为沿板厚向的一维分析和二维板分析;提供重构关系以准确预测沿厚度方向的三维场分布。通过SiC-Al功能梯度板的柱形弯曲算例验证:基于该理论和模型重构的位移和应力分量与三维精确解相一致;在应变很小时, 可考虑任意大位移和全局旋转, 并可准确捕捉板所有的几何非线性。     

功能梯度材料圆板的三维弹性分析

基于线弹性理论的基本方程,选用两个位移分量和两个应力分量作为状态变量,利用状态空间法建立了功能梯度材料轴对称圆板的三维状态方程.根据微分求积法,将状态方程在径向进行离散,考虑周边固支的边界条件,采用打靶法数值求解了材料常数沿板厚按幂率变化的轴对称弯曲问题和自由振动问题,为求解功能梯度材料三维弹性响应提供了一种方法.并且给出了功能梯度材料三维圆板的静动态响应受组分材料分布以及板厚径比变化的影响规律.     

基于Haar小波方法的功能梯度压电材料矩形板三维力学分析

针对任意材料梯度分布形式的四边简支、接地功能梯度压电材料平板,把Haar小波方法引入平板结构的三维分析中。由于小波方法在求解存在局部奇异性问题上的优越性,对于任意材料梯度变化,甚至材料性质存在局部剧烈变化的情况,各分量的Haar小波级数解都有较好的收敛性。通过算例,该文分析了在机械荷载、电荷载分别作用下,材料不同梯度形式、平板上下表面材料性质差异对功能梯度压电平板结构响应的影响。     

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。     

梯度功能材料薄板瞬态热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力分布的影响。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) 无论是简支板还是固支板, 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。     

正交各向异性厚板振动分析的边界积分方程法

本文采用正交各向异性厚板静力问题的基本解作为边界积分方程的核函数,利用加权残数法建立了正交各向异性厚板振动分析的边界积分方程。文中详细地讨论了边界积分方程的数值处理过程并给出了若干数值算例以论证本文方法的正确性。      

采用无单元法计算含边沿裂纹功能梯度材料板的应力强度因子

本文采用无单元法分析了功能梯度材料的断裂力学问题。无单元法采用基于滑动最小二乘近似的位移插值形式,节点布置变得非常自由。这种插值形式不仅很好地反映了材料变形,而且使得无单元法在分析功能梯度材料时可以方便地采用各个积分点处的材料特性。数值计算结果表明无单元法在分析功能梯度材料力学行为方面具有较高的效率和精度。     

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。     

A SINGLE-DOMAIN BOUNDARY ELEMENT METHOD FOR 3-D ELASTOSTATIC CRACK ANALYSIS USING CONTINUOUS ELEMENTS

A boundary element method is presented for single-domain analysis of cracked three-dimensional isotropic elastostatic solids. A numerical treatment for the hypersingular Boundary Integro-Differential Equation (BIDE) for displacement derivatives is described, in which continuous boundary elements may be used. Hadamard principal values of the hypersingular integrals arising in the formulation are evaluated using polar co-ordinates defined on the tangent planes at the source point, and the free term coefficients are calculated directly using a numerical technique. The forms of the Boundary Integral Equation (BIE) and the BIDE are considered for a source point on the coincident surfaces of a crack, and a scheme is given for defining the Traction Boundary Integral Equation TBIE so that it optimally incorporates the traction information deficient in its complementary partner, the BIE. Numerical results for some example mixed-mode crack problems are presented.