基于一阶剪切变形理论的CNTRC板的自由振动分析

基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形假设（First-order shear deformation theory,FSDT）,考虑碳纳米管（Carbon nanotube,CNT）功能梯度材料的不均匀性,建立CNT梯度增强复合薄板结构的自由振动分析模型,模型中考虑了CNT增强体的分布形式、体积率、边界条件及结构的边厚比等因素对该复合薄板结构自由振动响应的影响。克服了经典板理论中不考虑剪切应力的缺陷,通过四边简支（Simply supported,SSSS）板的振动响应特征验证模型的准确性,利用所建模型对CNT梯度增强薄板结构进行了自由振动分析及模态分析。研究表明：CNT增强复合薄板结构的自振频率随着CNT体积率的增加发生几乎线性化的增长;不同的CNT分布形式对振动频率的影响：X型分布的功能梯度板的自振频率最大,O型分布的功能梯度板的自振频率最小,均一及V型分布的固有频率大小介于两者之间。边界条件对板振动形态的影响：由于四边固支（Clamped,CCCC）的边界条件比SSSS约束性更强,其对于边厚比的变化更灵敏,并且随着宽厚比值的增大,边界条件产生的影响越来越大。CNT增强体分布形式、体积率、结构边厚比及边界条件对复合薄板结构自由振动的频率及振动模态有显著的影响。     

CNT纤维增强功能梯度复合板非线性建模与仿真

基于一阶剪切变形假设和哈密顿原理建立了碳纳米管(Carbonnanotube,CNT)增强功能梯度板大变形非线性有限元模型,实现了CNT纤维增强功能梯度复合板在发生大变形时的准确计算。该非线性模型不但包含几何全非线性应变—位移关系,还考虑薄板结构法向发生大转角的情形。通过与已有数据对比验证了所建模型的准确性。利用所建模型对四种典型的CNT分布形式,即均匀分布、O型分布、V型分布和X型分布的CNT纤维增强功能梯度复合板进行几何大变形非线性计算和分析,讨论CNT体积分数、CNT分布方式、结构宽厚比和载荷对CNT纤维增强功能梯度复合板的影响。研究表明:随着CNT体积分数的增加,该功能梯度复合板的刚度随之增加;相同体积分数下,X型分布复合板的刚度最大,均匀分布和V型分布次之,O型分布复合板的刚度最小。为CNT纤维增强功能梯度复合板的工程应用提供参考。     

陶瓷/金属非保守FGM斜板的颤振分析

研究了陶瓷/金属非保守功能梯度材料（FGM）斜板的颤振问题。以薄板理论为基础,假定材料的等效物性参数为沿厚度方向体积分数的幂律变化,在斜坐标系下建立了非保守FGM斜板的运动微分方程。运用微分求积法,对四边固支边界条件下陶瓷/金属非保守FGM斜板的量纲一复频率进行了数值计算,分析了FGM斜板的梯度指标、夹角和长宽比的变化对非保守FGM斜板稳定性的影响。结果表明,非保守FGM斜板的临界颤振荷载随梯度指标和夹角的增大而减小,随长宽比的增大而增大。     

面向复杂梯度材料模具等离子熔积制造的建模与轨迹规划

为满足复杂功能梯度材料（FGM）模具设计和制造的需求,提出了基于非均匀梯度源的体素建模和双数据模型驱动的轨迹规划新方法。双数据模型中的STL模型用于梯度源设计和几何轨迹生成,体素模型用于材料分布设计和FGM表征建立。通过几何轨迹离散和材料信息检索与融合,生成了熔积成形轨迹。新方法不仅具备多个局部复杂参考特征同时描述的能力,还使得成形轨迹兼具几何精确快速和材料分布复杂的特点。最后通过汽车翼子板模具实例验证了算法的有效性。     

碳纳米管及石墨烯协同增强尼龙6摩擦学性能的分子动力学模拟

为研究碳纳米管（CNT）和石墨烯片(GNS)协同增强尼龙6（PA6）复合材料摩擦学及力学性能的微观机制,利用分子动力学方法模拟PA6及其复合材料的拉伸过程及摩擦学行为,分析CNT、GNS对PA6复合材料力学及摩擦学性能的影响。建立Fe原子与纯PA6和PA6/ CNT、PA6/GNS、PA6/GNS/CNT复合材料组成的摩擦学模型,并对模型进行几何优化、退火及动力学平衡,通过对Fe原子施加0.2 GPa应力及0.01 nm/ps速度进行摩擦模拟。研究结果发现,PA6/GNS/CNT复合材料摩擦因数在所有材料中最低为0.252;相比其他3种材料,PA6/GNS/CNT复合材料的抗剪切性能最好,且弹性模量及剪切模量均有提高。通过对比分析4种材料的径向分布函数、摩擦界面温度、材料总势能揭示了CNT和GNS协同增强PA6摩擦学及力学性能的作用机制,指出加入的CNT/GNS通过范德华及静电力作用降低了PA6与Fe原子摩擦副之间的相互作用,此外一维CNT与二维GNS通过π-π堆叠杂化作用形成了3D杂交堆叠体系,协同增强了PA6的摩擦学性能。     

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...     

碳纳米管铝基复合材料的力学性能研究

碳纳米管铝基复合材料因结构优良且具有良好的力学性能,受到越来越多的研究学者的关注。运用ANSYS有限元软件分析了碳纳米管体积分数、长径比及分散度对复合材料力学性能的影响。结果表明:复合材料的弹性模量、屈服强度及切变模量随碳纳米管体积分数和长径比的增大而增大;泊松比随碳纳米管体积分数、长径比的增大而减小;碳纳米管在铝合金基体中分布越均匀,复合材料的力学性能越好。     

CNT/EP复合材料应变传感器的实验研究

将碳纳米管(CNT)均匀分散在环氧树脂(EP)基体中,在一定温度下固化后可制得CNT/EP导电复合材料,其导电率随CNT含量的升高而升高。通过实验研究CNT/EP复合材料拉伸应变与其电阻之间的关系,将CNT/EP复合材料制成片状贴附于有机玻璃板材拉伸试样上,采用CMT-05型万能拉伸试验机对其进行拉伸试验,同时使用LCR测试样品的实时电阻。实验显示,复合材料薄片的电阻随应变的增加而增大,但增大的幅度与CNT含量有关,因此,可以利用CNT/EP复合材料薄片的这种力-电特性制造应变传感器。研究表明,试制的CNT含量为0.2%的复合材料应变传感器灵敏度最好,可比传统箔式应变传感器的灵敏度高5倍以上。     

计及不同剪切变形的功能梯度材料梁的弯曲分析

研究矩形截面功能梯度材料(Functionally graded materials,FGM)梁在不同剪切变形理论下的静力弯曲问题。假设FGM梁由金属和陶瓷两种材料构成,其等效物性参数沿厚度方向连续变化,且遵从简单幂率变化规律。基于最小势能原理,建立以轴向位移、横向位移及转角为未知函数的FGM梁的运动微分方程组。对简支FGM梁,采用Fourier级数法获得5种剪切变形理论下FGM梁的挠度、轴向位移及转角曲线,分析梁的长高比、梯度指标对弯曲变形的影响,分析不同剪切变形理论下FGM梁的切应力和正应力的分布特性,并与均质材料梁的静力弯曲特性进行比较。给出FGM梁的中性轴位置随梯度指标的变化曲线并进行分析。     

纤维增强FGM梁的自由振动和临界屈曲载荷分析

基于经典梁理论（CBT）研究轴向力作用下纤维增强功能梯度材料（FGM）梁的横向自由振动和临界屈曲载荷问题。首先考虑由混合律模型来表征纤维增强FGM梁的材料属性,其次利用Hamilton原理推导轴向力作用下纤维增强FGM梁横向自由振动和临界屈曲载荷的控制微分方程,并应用微分变换法（DTM）对控制微分方程及边界条件进行变换,计算了纤维增强FGM梁在固定-固定（C-C）、固定-简支（C-S）和简支-简支（S-S）3种边界条件下横向自由振动的无量纲固有频率和无量纲临界屈曲载荷。退化为各向同性梁和FGM梁,并与已有文献结果进行对比,验证了本文方法的有效性。最后讨论在不同边界条件下纤维增强FGM梁的刚度比、纤维体积分数和无量纲压载荷对无量纲固有频率的影响以及各参数对无量纲临界屈曲载荷的影响。     

理想材料零件材料信息表述及处理的研究

由均质材料、复合材料、功能梯度材料和功能细结构材料构成的理想材料零件是实现零件几何拓扑、材料和功能完美结合的新型零件，其CAD模型是实现理想材料零件数字化并行设计和制造过程的基础。着眼于理想材料零件CAD模型中的材料表述模型，提出了使用细观尺度上的周期性细结构统一表述单质材料、复合材料、功能梯度材料和功能细结构材料的方案，并在单纯剖分基础上，完成了理想材料零件的几何和材料信息的表述。所给出的材料信息提取算法及算例证明了数字化方案的可行性和有效性。     

含自重载荷的功能梯度材料结构时域动力学拓扑优化设计

提出了一种含自重载荷的功能梯度材料(FGM)结构时域动力学拓扑优化设计方法。在固体各向同性材料惩罚(SIMP)框架下,提出了一种针对FGM-SIMP的结构自重载荷分布策略。以FGM结构动柔度最小为优化目标、以结构体积为约束,建立了动力学结构优化列式。基于伴随法,在时域内进行了灵敏度推导,并用移动渐近线方法进行求解。通过二维和三维典型数值算例系统研究了含自重载荷下FGM结构的拓扑优化设计问题,并深入探讨了自重载荷和材料梯度分布方向对结构优化结果的影响,发现自重载荷和材料梯度分布方向对FGM结构的优化构型和动刚度具有很大影响。最后,以均一材料(FGM的特例)为例,通过数值仿真和实验测试方法验证了所提方法的有效性,并证实了所提方法可有效提高结构的固有频率和结构动刚度。     

纤维增强金属基复合材料弹塑性行为分析

在分析复合材料宏、细观场量之间联系的基础上 ,基于复合材料细观结构周期性假设 ,选取适当的代表性体积元 ,采用弱化的边界连续性与周期性条件 ,通过对细观力学方程的建立与求解 ,建立了一种纤维增强金属基复合材料宏、细观统一力学模型。该模型建立起了宏、细观场量的联系 ,获得了宏观应力 -应变关系。试验及理论计算表明 ,该模型能够较好地预测复合材料宏观弹塑性性能。利用该模型分析了复合材料宏观弹塑性应力 -应变响应以及细观几何结构特征对宏观弹塑性性能的影响。此外 ,将该模型与常规的结构分析方法 (如有限元法 )相结合 ,能够开展对金属基复合材料结构的弹塑性行为分析。     

基于MRG/CNT复合材料的磁电阻效应研究

通过在磁流变胶泥(MRG)中加入碳纳米管(CNT)组成复合材料,结合MRG的优良磁响应特性与CNT的电导特性,以复合材料作为填充材料设计实验敏感元件,建立实验表征系统对复合材料磁电阻效应的静态与动态特性开展了实验研究,并从微观层面分析了磁电阻效应机理,揭示了激励磁场影响复合材料电阻的关键因素。结果表明：复合材料处在磁工作区范围内,敏感元件的电阻值随磁场的增强而衰减,相对变化量达到了62.2%,同时表现出良好的时间稳定性;实验的动态响应输出与激励磁场的变化趋势高度一致,证明了复合材料具有良好的动态磁电阻响应特性。     

功能梯度材料的低温挤压成形过程建模与实验研究

使用低温挤压成形方法制造功能梯度材料（FGM）过程中,膏体材料存在气泡、结块和一定程度的液相迁移现象,导致挤压成形过程难以控制。使用系统辨识的方法建立了FGM成形过程的差分模型,运用残差的方差分析方法对系统模型的阶次进行估计,运用递推最小二乘法对参数进行辨识,得到FGM成形的控制模型。设计了自适应控制器,对FGM成形过程进行实时控制。实验验证了控制模型的准确性和控制方法的有效性。     

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。     

波形碳纳米管增强复合材料的有效刚度和局部应力的宏微观均质化数值模拟

采用分子动力学方法简化的碳纳米管等效纤维模型,利用具有精确周期性边界条件的均质化理论和宏微观均质化法分析正弦波形非连续碳纳米管的有效刚度和局部应力分布规律.结果表明,纳米增强复合材料的有效刚度和局部应力对碳纳米管的波形非常敏感,碳纳米管稍有弯曲就会导致复合材料有效刚度降低和应力传递能力的下降,为揭示复合材料中碳纳米管的增强机制和改善增强效果提供理论依据.     

玻璃/碳纤维增强聚合物基纳米复合材料冲击力学特性分析研究

针对玻璃/碳纤维增强聚合物基纳米复合材料在冲击工程领域未普及使用的问题,为加快其应用速度,对该材料板件结构的冲击力学特性进行了研究,对比分析了锤头形状对其动力学响应的影响。基于复合材料强度和刚度理论,推导了玻璃/碳纤维增强聚酰胺/碳纳米管复合材料的正交各向异性的等效力学参数;利用非线性显式有限元方法建立了其板件结构的冲击力学模型,通过数值模拟其动态冲击过程,观察了其内部应力波的传播过程,测量了其动力学响应。研究结果表明:应力波从锤头与复合材料板的接触区域开始,逐渐向板件外边界传递。并且随着冲击过程的进行,板内应力峰值增大。与玻璃纤维增强相相比,碳纤维增强纳米复合材料板的刚度增强,冲击加速度峰值增大。     

碳纳米管的表面修饰及其应用

介绍了碳纳米管的性质和表面修饰方法,综述了近年来国内外有关碳纳米管表面修饰的研究现状,并分析了碳纳米管表面修饰的应用现状。碳纳米管具有独特的管状结构和优异的性能,是制备纳米复合材料的理想增强体之一。因为表面修饰可提高碳纳米管的表面活性、分散能力和与基体材料之间的相容性,从而提高其在复合材料中的增强效果,所以碳纳米管的表面修饰成为碳纳米管研究中的热点之一。