功能梯度开孔矩形板的动力特性解

对于功能梯度平板结构,采用与矩形板两对边边界条件相应的梁函数组合级数来求解开孔板动力特性问题,得到板件各阶固有频率与振型解的一般表达式,适用于具有任意孔洞的四边为任意简单（包括36种）边界条件的功能梯度矩形板动力特性分析,为各类功能梯度开孔板件的动力计算与设计打下理论基础。     

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。     

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。     

复杂边界条件功能梯度板三维分析的细观元法

发展一种细观分析和宏观计算相结合的计算方法—细观元法。细观元法是使功能梯度构件宏观响应和材料组分的几何、物理、构造参数直接发生关联的分析方法,实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过度分析,为解决功能梯度构件宏、细观跨尺度分析提供了一种有力工具。细观元方法不增加结点自由度,却使得功能梯度板件的任意功能梯度变化、各种复杂边界条件得到反映。用细观元法得到了几种具有不同复杂边界条件的功能梯度板件的力学量三维分布形态。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

Dynamic characteristics of functionally graded material sandwich plates in thermal environments

The dynamic instability of functionally graded material (FGM) sandwich plates under an arbitrary periodic load in a thermal environment is studied. The sandwich plate is made up of two layers of FGM face sheets and one layer of homogeneous metal core. The properties of a FGM layer vary continuously across the thickness according to a simple power law. A set of differential equations of Mathieu type is formed to determine the dynamic instability regions based on Bolotin's method. The dynamic stability of the FGM sandwich plates is sensitive to the temperature rise, volume fraction index, thickness ratio, and static and dynamic load factor.     

A robust,four-node,quadrilateral element for stress analysis of functionally graded plates through higher-order theories

ABSTRACT

A hybrid-mixed, four-node, quadrilateral element for the three-dimensional (3D) stress analysis of functionally graded (FG) plates using the method of sampling surfaces (SaS) is developed. The SaS formulation is based on choosing an inside the plate body N, not equally spaced SaS parallel to the middle surface, in order to introduce the displacements of these surfaces as basic plate variables. Such a choice of unknowns, with the consequent use of Lagrange polynomials of the degree N ? 1 in the assumed distributions of displacements, strains, and mechanical properties through the thickness leads to a robust FG plate formulation. All SaS are located at Chebyshev polynomial nodes that permit one to minimize uniformly the error due to the Lagrange interpolation. To avoid shear locking and spurious zero-energy modes, the assumed natural strain method is employed. The proposed four-node quadrilateral element passes 3D patch tests for FG plates and exhibits a superior performance in the case of coarse distorted meshes. It can be useful for the 3D stress analysis of thin and thick metal/ceramic plates because the SaS formulation gives an opportunity to obtain the solutions with a prescribed accuracy, which asymptotically approach the 3D exact solutions of elasticity as the number of SaS tends to infinity.     

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。     

Thermomechanical bending analysis of functionally graded sandwich plates with both functionally graded face sheets and functionally graded cores

The bending response of functionally graded material (FGM) sandwich plates subjected to thermomechanical loads is investigated using a four-variable refined plate theory. A new type of FGM sandwich plate, namely, both FGM face sheets and an FGM hard core, is considered. Containing only four unknown functions, the governing equations are deduced based on the principle of virtual work and then these equations are solved via the Navier approach. Analytical solutions are obtained to predict the deflections and stresses of simply supported FGM sandwich plates. Benchmark comparisons of the solutions obtained for a degradation model (functionally graded face sheets and homogeneous cores) with ones computed by several other theories are conducted to verify the accuracy and efficiency of the present approach. The influences of volume fraction distribution, geometrical parameters, and thermal load on dimensionless deflections and normal and shear stresses of the FGM sandwich plates are studied.     

Three-dimensional vibration analyses of functionally graded material rectangular plates with through internal cracks

The free vibrations of rectangular FGM plates with through internal cracks are investigated using the Ritz method. Three-dimensional elasticity theory is employed, and new sets of admissible functions for the displacement fields are proposed to enhance the effectiveness of the Ritz method in modeling the behaviors of cracked plates. The proposed admissible functions accurately describe the stress singularities at the fronts of the crack and display displacement discontinuities across the crack. The correctness and validity of the present approach are established through comprehensive convergence studies and comparisons with published results for homogeneous cracked plates, based on various plate theories. The locally effective material properties of FGM in the thickness direction are estimated by a simple power law. The effects of the volume fraction of the constituents of FGM and the thickness-to-length ratio on the frequencies are investigated. Frequency data for FGM square plates with three types of boundary conditions along the four side faces and with internal cracks of various crack lengths, positions and orientations are tabulated for the first time.     

基于代理模型的功能梯度梁的材料特性参数反求

针对功能梯度材料参数的反求问题,提出了一种基于代理模型的反求方法。应用有限元软件建立功能梯度梁的波动响应模型,获得模型在激振力作用下的动态位移响应。通过试验设计选取合理的样本点,建立响应面模型代替有限元软件作为程序的正问题求解器,遗传算法作为反问题求解器,用添加不同噪声水平的峰值位移来模拟反求模型的实际输入作为整个算法的输入数据,最终获得材料的体积参数。以实际SiC-C功能梯度梁为算例,分析了单次正弦激振力下,有限元软件获得的动态响应,并根据获得的位移响应应用遗传算法来反求SiC-C梁的体积分数。算例验证了本方法的有效性。基于代理模型的反求方法避免了多次调用正问题求解器,提高了计算效率。      

四边固支功能梯度板中波的传播

摘要：考虑剪切变形和转动惯性的影响,采用一阶剪切变形板理论和小应变的应变－位移关系,利用Hamilton原理推得运动控制方程,并应用特征值方程得到频散方程。给出了波在功能梯度板中传播的频散,相速度和群速度随波数变化的曲线,分析了不同的功能梯度材料指数对波传播的影响规律。     

受机械力作用金属／陶瓷功能梯度板的非线性振动模型

研究机械力作用下金属，陶瓷功能梯度薄板的建模问题。应用弹性理论和Galerkin方法建立小挠度金属，陶瓷功能梯度薄板受横向机械力作用的非线性振动方程。