热-机荷载作用的P-FGM扁球壳跳跃屈曲分析

基于经典壳体理论和Sanders非线性应变-位移关系,导出了幂律型功能梯度材料(P-FGM)扁球壳在热-机械荷载作用下的几何非线性常微分控制方程。推导过程考虑了沿厚度存在一维热传导温度场和法向均布荷载作用。采用打靶法求解了由控制方程和固定夹紧边界条件构成的两点边值问题。得到了FGM扁球壳的一些典型的屈曲平衡路径和双稳态构形。对热-机械荷载作用的FGM扁球壳的跳跃屈曲行为进行了参数影响分析。结果表明：温度上升时,球壳上临界荷载显著增加、下临界荷载变化不明显。梯度指数增加时,球壳上、下临界荷载均显著减小。组分材料模量增加时,球壳上、下临界荷载均显著增加。当底圆半径和厚度给定时,随壳体中面曲率半径增加,球壳上、下临界荷载均显著增加。当中面曲率半径和厚度给定时,随底圆半径增加,球壳下临界荷载显著减小,上临界荷载几乎不变。     

功能梯度斜板的屈曲分析

研究面内荷载作用下功能梯度斜板的屈曲问题.基于经典板理论,假设材料性质为板厚度方向坐标的幂函数,不考虑温度的影响,推导功能梯度板在纵向荷载作用下的平衡微分方程,运用坐标转换关系,建立斜坐标系下功能梯度斜板的屈曲微分方程.采用微分求积法,离散屈曲微分方程,结合边界条件,给出功能梯度斜板在两对边受有均布压力作用下临界屈曲荷载的无量纲数值解.在此基础上,讨论板的几何外形尺寸、夹角、梯度指标以及中面变形等因素对临界屈曲荷载的影响.结果表明:功能梯度板的临界屈曲荷载变化介于相应的均质各向同性板的临界屈曲荷载变化之间;功能梯度材料板的临界屈曲荷载变化随板的相对几何外形尺寸宽长比b/a的减小而减小,随梯度指标κ和夹角θ的增加而减小;中面变形对夹角较小和梯度指标较高的板有较大影响.     

非线性变厚度圆薄板轴对称弯曲问题的变分解答

基于能量原理,推导出均布载荷作用下变厚度圆薄板轴对称弯曲的变分列式,应用计算代数系统Mathematica编制程序,计算得到不同板厚参数下的挠度方程和最大挠度因子。结果表明,里茨法的计算过程易于实现程序化,计算精度高,在求解变厚度圆薄板小挠度弯曲问题时是有效的。与等厚度板相比较,变厚度板在弯曲刚度、抗屈曲和振动的性能等方面都有明显提高,因而在工程中得到广泛应用。变厚度圆薄板的厚度通常仅是半径的函数,并且受到的载荷关于板轴线对称,求解板的变形、内力、应力等即形成变厚度圆薄板轴对称弯曲问题。     

机械载荷作用下梯度多孔材料圆板非线性力学行为的研究

基于一阶剪切变形圆板理论,应用最小势能原理,推导了梯度多孔材料圆板在径向载荷与横向载荷共同作用时的控制微分方程及边界条件,并将其退化为经典板理论下的结果。利用打靶法求解圆板非线性力学行为的数值解,并根据结果分析了梯度多孔材料的性质、机械载荷及边界条件等因素对圆板非线性力学行为的影响。     

梯度材料复合对偶对称结构优化应力特性分析

采用复合材料层合板模型,对梯度功能材料悬臂板进行了分析。取材料为非均质各向异性,材料参数沿厚度方向变化,利用对偶对称条件和自然边界条件,得出了梯度悬臂板结构的优化变形应力。研究结果表明,热载荷分布和横向剪切对结构中的优化特性会有很大的影响,存在优化的梯度参数使得结构具有最大的热强度。     

非均匀温度场下变物性二维功能梯度材料板的瞬态热应力分析

研究了非均匀温度场下变物性二维功能梯度材料板的瞬态热应力分布问题。并且建立了Al1100-Ti6Al4V-ZrO_2的二维功能梯度材料板的结构模型,构造了二维功能梯度板的有限元求解方法,计算得到了:1)二维功能梯度材料板在不同时刻的瞬态热应力分布规律;2)变物性(组分系数沿板长度和宽度方向变化)二维功能梯度材料板的瞬态热应力分布;3)非均匀温度场下(线性温度分布、非线性温度分布及周期性温度分布)的二维功能梯度材料板的瞬态热应力分布。     

石墨烯增强功能梯度圆板受热机作用的响应分析

在推广后的Mian和Spencer功能梯度板理论基础上,研究了石墨烯增强功能梯度圆板受集中力和温度场作用的响应问题.基于修正后的Halpin-Tsai模型,考虑了温度依赖和石墨烯缺陷大小对石墨烯增强复合材料弹性模量的影响.沿板厚方向考虑了三种石墨烯纳米片的分布形式,石墨烯增强功能梯度圆板中心受集中力作用时,该问题转化为环板内边界上受均匀分布剪切力作用的问题.在板厚方向考虑热传导引起的非线性温度场.通过数值算例分析,验证了方法的正确性,并讨论了石墨烯含量,分布形式,缺陷大小,温度场和边界条件等因素对圆板热弹性响应的影响.     

换热边界下变物性梯度功能材料板瞬态热应力

用有限元和有限差分法,分析了由ZrO2 和Ti-6Al-4V组成的变物性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变物性梯度功能材料板的瞬态热应力场分布,并与不考虑变物性时的结果进行了比较。结果表明：在计算瞬态热应力场分布时,变物性是影响梯度功能材料板瞬态热应力场的最重要因素之一。此外,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变物性梯度功能材料板的瞬态热应力场分布均有明显的影响。此结果为梯度功能材料的设计和应用提供了理论计算依据。     

功能梯度压电材料梁的热-机-电耦合振动及屈曲特性分析

为提高粱理论对静动态响应预测的可靠性和准确性,基于一种n阶广义梁理论,研究外驱动电压及轴向机械载荷共同作用下功能梯度压电材料(Functionally graded piezoelectric material,FGPM)梁在热环境中的耦合振动及屈曲特性.考虑温度沿梁厚按不同类型稳态分布,采用Voigt混合幂率模型表征FGPM梁的材料属性,应用Hamilton原理统-实施静动态建模,采用Navier法求解FGPM简支梁的动态响应.分析不同梁理论、不同温度分布、热-机-电耦合效应、材料组份梯度指标、跨厚比等诸多参数对梁振动频率和屈曲临界载荷特性的影响,揭示多因素影响下FGPM梁耦合屈曲和耦合振动这两类静动态力学行为之间的二元耦联性.结果 表明,通过改变外驱动电压大小和极化方向均可实现FGPM梁在热-机-电耦合作用下的振动控制以及稳定性安全设计.     

非均匀温度场下变梯度特性热成形技术研究

传统的热成形工艺所得制件虽具有超高强度,但塑性通常较低,且成形件各部位的力学性能相同,综合力学性能不高,难以满足日益增加的变梯度特性热成形制件的需求。对变梯度热成形技术进行较为深入的研究。利用有限元法分析非均匀温度场下板料热冲压过程,并通过试验揭示非均匀温度场下热成形过程中微观组织的演变规律及其对材料性能渐变性的影响。利用金属固态相变原理中不同的微观组织条件下成形件的力学性能不同,研究钢板热成形过程中板料初始非均匀温度场引起的板料微观组织分布状态,得到分别为铁素体、珠光体组织;铁素体、珠光体、马氏体混合组织;马氏体组织梯度渐变的微观组织形态。这种通过建立板料非均匀温度场达到材料微观组织渐变分布、性能梯度分布的工艺显著提高了成形件的综合力学性能,为深入探讨热成形技术提供了新的研究方向,扩宽了热成形制件的范畴。     

高速飞行器网格翼型结构热屈曲及热模态分析

翼片结构在高速飞行过程中会承受比较大的气动力和气动热形成的复合载荷。为研究网格翼结构的工作热屈曲和热模态特性,进行了理论分析和有限元计算;得到了结构的热屈曲临界温度、均匀及非均匀温度载荷下的热模态参数;发现网格翼结构的热屈曲临界温度要高于相同外形和材料的实体平板翼结构,且高温下结构材料热物理参数对热模态的影响要大于材料弹性参数,非均匀温度载荷下的网格翼结构热模态固有频率数值与均匀温度载荷下有一定区别。     

帽型加筋板热屈曲优化设计

针对非均匀温度场作用下的帽型加筋板热屈曲问题,采用有限元开展了临界屈曲温度场计算方法研究。在此基础上,结合自动参数化建模方法,建立了以提高受热加筋板屈曲承载能力为目标的优化流程。为了提高优化算法的搜索效率,分别建立了一阶热屈曲特征值和结构重量的代理模型,并将代理模型嵌入到优化流程中,通过代理模型对屈曲特征值和结构重量进行预测来降低优化设计中的有限元计算量,对典型帽型加筋板进行热屈曲分析及优化设计。结果表明,本文中采用的方法可行而且高效,在相关结构设计中具有较大的应用价值。     

非对称薄管板换热器的有限元分析

对某非对称薄管板换热器建立了有限元模型进行温度场和应力场分析,结果表明管束布置的非对称性未对薄管板的温度场造成明显影响,薄管板各部位沿管板厚度方向的温度变化均呈线性分布,未出现较大的温度梯度。然而该非对称性对薄管板的应力分布却存在显著影响:薄管板非布管区的应力和变形明显高于布管区,两者对比存在显著差异。此外在温度载荷与压力载荷共同作用时,薄管板高应力区位于薄管板与壳体连接的圆弧过渡区内表面,该处的应力分布具有典型的非轴对称特性。     

碟形封头压力容器在内压作用下的弹塑性屈曲及后屈曲行为研究

基于ABAQUS对受内压碟形封头压力容器的弹塑性屈曲及后屈曲行为进行分析.通过非对称网格剖分技术诱发结构的屈曲行为,采用Riks算法捕捉完整的屈曲及后屈曲路径,分析屈曲载荷和后屈曲形态.计算结果表明,在内压作用下碟形封头压力容器过渡区域出现波状的分叉屈曲形态,随着加载的继续,过渡段将逐渐生成肉眼可视的褶皱,进入后屈曲阶段.后屈曲路径可以分为第一阶段与第二阶段.对引入初始厚度缺陷的结果分析可知,初始缺陷厚度的布置将对后屈曲路径产生影响,并降低结构的分叉屈曲载荷.     

换热边界下梯度功能材料板稳态温度场研究

用有限元法分析了由ZrO2和Ti-6Al—4V组成的梯度功能材料板在对流换热边界条件下的稳态温度场问题，检验了方法的正确性，给出了对流换热边界下的稳态温度场分布。结果表明：材料组分的分布形状系数M、孔隙度P、对流换热系数和环境介质温度的变化对梯度功能材料板的稳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。     

二维轴对称摩擦制动器瞬态热弹性失稳的研究

提出考虑摩擦层闸片厚度的影响,建立二维轴对称摩擦制动器热弹性失稳的数学模型。基于扰动分析法,推导摩擦副的温度场扰动以及不同热点分布模式下的热特征平衡方程。研究临界速度和扰动增长系数的变化规律。计算摩擦面瞬态名义温度随制动时间的变化关系。分析和比较不同摩擦副厚度比、热导率、弹性模量、比热容以及热膨胀系数对系统稳定性的影响。结果表明,当热点呈反对称分布时,系统发生热弹性失稳时所需的最低临界速度远低于对称分布模式,临界速度随扰动频率的增加呈先减小后增加的变化趋势。不同扰动频率对应的扰动增长系数随滑动速度近似呈线性增加,最低临界扰动频率对应的扰动增长系数最大。当扰动频率低于临界扰动值时,温度随扰动频率的增加而增加,反之,则降低。增加摩擦副的厚度、摩擦层闸片的热导率和比热容以及减小滑动层制动盘的热导率和热膨胀系数和摩擦层闸片的弹性模量均可以提高滑动摩擦系统的稳定性。     

线性分布载荷作用下双模量圆板的计算分析

双模量圆板在线性载荷作用下,会形成各向同性的拉伸区和压缩区.可将双模量圆板看成两种各向同性材料组成的层合板,采用弹性理论建立双模量圆板在外载荷作用下的静力平衡方程,利用此静力平衡方程即可确定双模量圆板的中性面位置.建立双模量圆板在外载荷作用下的弯曲微分方程,求得双模量圆板在线性分布载荷作用下的挠度方程.通过算例讨论分析双模量对圆板弯曲变形的影响,得到圆板材料拉压弹性模量相差较大时,其挠度计算不宜采用相同弹性模量经典薄板理论,而应该采用双模量薄板理论的结论.     

非局域热平衡理论下斯特林热机回热器温度场分布数值分析

如何获得较为准确的回热器温度场分布,一直是碟式太阳能斯特林热机研究中的热点问题。本文构建了基于非局域热平衡理论的三维多孔介质动量方程与能量方程,以数值模拟的方法,探讨了回热器长度和分层、入口速度、填充介质孔隙率、气体工质材料及填充丝网目数等因素对于斯特林发动机回热器温度场分布的影响规律。结果表明:金属丝网孔隙率和气体工质流动速度对于金属丝网回热器的换热性能影响较大,适当地延长回热器长度能有效提高回热器的换热性能。     

弹性圆柱壳的稳定性优化设计

研究任意轴对称边界条件下和受均布法向载荷作用圆柱壳的稳定性优化设计问题，即极大化屈曲临界载荷。利用能量原理分析轴对称变厚度圆柱壳的分支点屈曲，将求解屈曲临界载荷变成求解广义特征值方程，使圆柱壳稳定性优化设计成为极大化最小特征值问题。实际算例验证了本方法的有效性。研究结果可用于圆柱壳的加肋优化设计。     

裂纹条件下轴类锻件锻造中温度场分析模型

基于非稳态热传导理论建立了对称与非对称裂纹条件下轴类锻件的二维温度场分析模型。该模型结合复合介质理论,首先运用集总参数法求解对称裂纹锻件的裂纹介质温度场,得出裂纹对应的温度场函数,然后将其作为对称裂纹条件下轴类锻件热传导方程的边界条件,通过求解热传导方程得到对称裂纹条件下轴类锻件的温度场分析模型;其次,通过引入修正系数得到非对称裂纹的温度场函数,将该温度场函数作为非对称裂纹条件下轴类锻件热传导方程的边界条件,求解热传导方程得到非对称裂纹条件下轴类锻件的温度场分析模型。实验验证了该模型的可行性。