功能梯度碳纳米管增强复合材料结构建模与分析研究进展

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料。在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布。功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点。本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应。文中所列成果可以看作是进一步研究的基石。最后,提出需要进一步研究的方向。     

功能梯度碳纳米管增强复合材料结构建模与分析研究进展

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料.在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布.功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点.本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.文中所列成果可以看作是进一步研究的基石.最后,提出需要进一步研究的方向.     

Modeling and analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite structures: A review

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料.在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布.功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点.本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.文中所列成果可以看作是进一步研究的基石.最后,提出需要进一步研究的方向.     

碳纳米管增强复合材料圆锥薄壳非线性自由振动

考虑碳纳米管复合材料作为功能梯度材料的不均匀性,基于连续介质理论以及哈密尔顿变分原理,建立了功能梯度碳纳米管增强复合材料开口圆锥薄壳结构的非线性运动偏微分控制方程,然后利用Galerkin法,将非线性偏微分控制方程转化为常微分控制方程,进而采用谐波平衡法求解了开口圆锥壳的非线性自由振动问题,并探讨了圆锥薄壳几何参数、碳纳米管参数对结构非线性自由振动的影响．数值研究表明结构的无量纲非线性自由振动频率与线性自由振动频率的比值随圆锥薄壳长厚比的增大而变小、并随圆锥角的增大而变大．     

碳纳米管增强铜基复合材料的载流摩擦磨损性能研究

采用粉末冶金方法制备了碳纳米管增强铜基复合材料(CNT/Cu),碳纳米管的体积分数分别为0%、5%、10%、12%和15%,在HST100载流摩擦磨损试验机上考察了有无电流2种状态下复合材料的摩擦磨损性能.结果表明:有电流条件下的摩擦系数和磨损率均比无电流条件下大,且表面磨损严重;载流条件下,随碳纳米管体积分数的增加,复合材料的摩擦系数和磨损率均降低,主导磨损形式由电气磨损逐渐过渡到黏着磨损.碳纳米管在复合材料中起到增强、减摩的作用.     

碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究

对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行了综述.首先介绍了碳纳米管结构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作做了一些讨论和展望.      

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用。由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞。采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层。当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值。根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量。主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响。结果表明：不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响。     

碳纳米管增强型复合材料功能梯度板的自由振动模型与尺度效应

基于一种新的各向异性修正偶应力理论,建立了碳纳米管增强复合材料功能梯度板的自由振动模型。该模型能够描述尺度效应,且仅包含一个尺度参数。基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理推演了板的运动微分方程,并以四边简支板为例给出了自振频率的解析解。讨论了板的几何尺寸、碳纳米管体分比含量和分布方式等因素对板的自振频率的影响。结果表明,本文模型所预测的板的自振基频总是高于经典弹性理论的Mindlin板模型的预测结果,两者间的差异在板的几何尺寸接近尺度参数的值时非常明显,且会随着板的几何尺寸的增大而逐渐消失。     

碳纳米管增强型复合材料功能梯度板的自由振动模型与尺度效应

基于一种新的各向异性修正偶应力理论,建立了碳纳米管增强复合材料功能梯度板的自由振动模型。该模型能够描述尺度效应,且仅包含一个尺度参数。基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理推演了板的运动微分方程,并以四边简支板为例给出了自振频率的解析解。讨论了板的几何尺寸、碳纳米管体分比含量和分布方式等因素对板的自振频率的影响。结果表明,本文模型所预测的板的自振基频总是高于经典弹性理论的Mindlin板模型的预测结果,两者间的差异在板的几何尺寸接近尺度参数的值时非常明显,且会随着板的几何尺寸的增大而逐渐消失。     

石墨烯增强功能梯度材料板条的热弹性响应

研究了石墨烯增强功能梯度复合材料板条的热弹性问题。基于推广后的Mian和Spencer功能梯度板理论,在板厚度方向上考虑热传导引起的稳态温度场,沿板厚方向考虑了三种石墨烯纳米片的分布形式,最终给出了不同边界条件下石墨烯增强功能梯度板条在温度场作用下的解析解。通过算例分析验证了本文方法的有效性,并讨论了边界条件和石墨烯的分布形式等因素对板条热弹性响应的影响。计算结果表明:石墨烯增强功能梯度材料板条在温度场作用下的热响应与在机械力作用下的弹性响应有较大不同。     

广义有限差分法求解Kirchhoff和Winkler薄板弯曲问题

本文将广义有限差分法用于数值计算Kirchhoff板和Winkler板的弯曲问题.广义有限差分法是基于最小二乘原理的一种区域型无网格方法. 相比于传统的网格类数值解法,广义有限差分法无需网格生成且无需数值积分.通过数值实验结果表明,广义有限差分法可以有效地求解两类薄板在不同横向荷载作用下的弯曲问题.     

含肿瘤皮肤组织传热分析的广义有限差分法

生物传热分析在低温外科手术、肿瘤热疗、病热诊断等临床医学治疗和诊断中有着广泛的应用. 由于健康皮肤组织内肿瘤的存在使得肿瘤附近区域的温度会明显升高, 这一特性常被用于检测皮肤组织内的肿瘤生长, 因此有必要开展生物传热数值分析的研究. 本文以含肿瘤的皮肤组织为研究对象, 将一种新型区域型无网格配点法——广义有限差分法应用于能描述含肿瘤皮肤组织传热过程的Pennes方程求解. 广义有限差分法利用泰勒展开式与移动最小二乘法将计算区域内的每个离散点上的物理量导数表示成其与邻近点物理量及权重系数的线性组合, 进而构建得到仅含各离散点未知物理量的线性方程组. 该方法不仅具有无需划分网格、避免数值积分等无网格配点法的优点, 同时还克服了大多数无网格配点法中插值矩阵高度病态的问题, 为此类方法在大规模工程数值计算中的应用提供了可能性. 本文首先介绍了模拟含肿瘤皮肤组织传热过程的广义有限差分法离散模型, 随后通过不含肿瘤与含规则形状肿瘤的基准算例, 检验广义有限差分法的计算精度与收敛性; 在此基础上, 通过数值模拟研究不同肿瘤形状及肿瘤位置分布对皮肤组织内温度分布的影响.      

Interaction of plane elastic harmonic waves with a perfectly bonded elastic inclusion

The interaction of plane harmonic waves with a thin elastic inclusion in the form of a strip in an infinite body (matrix) under plane strain conditions is studied. It is assumed that the bending and shear displacements of the inclusion coincide with the displacements of its midplane. The displacements in the midplane are found from the theory of plates. The priblem-solving method represents the displacements as discontinuous solutions of the Lamé equations and finds the unknown discontinuities solving singular integral equations by the numerical collocation method. Approximate formulas for the stress intensity factors at the ends of the inclusion are derived     

基于局部移动Kriging无网格方法的层合板自由振动分析

利用基于局部移动Kriging插值无网格法对层合板自由振动进行了数值分析,基于一阶剪切层合理论导出了层合板振动的控制方程和边界条件,进一步得到了自由振动的离散化特征方程。由于Kriging插值函数具有Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件。通过本文给出的方法,对不同边界条件、不同跨厚比、不同材料参数和铺设角度的层合板的振动频率进行了计算,均得到满意结果。最后用该方法对层合板的铺设角度进行优化设计,得到了与已有文献完全一致的优化结果。数值结果充分表明了无网格Kriging方法分析层合板自由振动问题的有效性和高精确度。     

A meshless collocation method for the plane problems of functionally graded material beams and plates using the DRK interpolation

A meshless collocation method is developed for the static analysis of plane problems of functionally graded (FG) elastic beams and plates under transverse mechanical loads using the differential reproducing kernel (DRK) interpolation, in which the DRK interpolant is constructed by the randomly distributed nodes. A point collocation method based on this DRK interpolation is developed for the plane stress and strain problems of homogeneous and FG elastic beams and plates. It is shown that the present DRK interpolation-based collocation method is indeed a truly meshless approach with excellent accuracy and has a fast convergence rate.     

基于核重构思想的最小二乘配点型无网格方法

介绍重构核点法的基本原理和近似函数的构造方法，并基于核重构思想，应用配点法和最小二乘原理，离散微分方程，建立求解的代数方程，提出了一种基于核重构思想的最小二乘配点型无网格方法．与一般配点法相比，该方法的系数矩阵是有对称正定的，计算精度高，稳定性好．该方法的实施不需要背景网格，不需要进行高斯积分，与Galerkin法相比，具有计算量小、边界条件处理简单的特点，是一种真正的无网格法．对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨．文中结合若干典型算例，检验了该方法的有效性．     

中厚板弯曲问题的自然单元法

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,基于Reissner-Mindlin板弯曲理论,将自然单元法应用于平板弯曲问题的计算中,给出了相关的公式,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的计算列式.算例分析表明,自然单元法应用于中厚板的弯曲问题具有较高的计算精度,并可用于Winkler地基上基础板的计算.同时指出,对于厚跨比较小的薄板,由于对挠度和中面法线转角采用相同的插值形式,当板厚变薄时夸大了虚假的剪切变形影响,因而表现出剪切自锁现象.对进一步开发厚薄板通用的计算程序作了初步探讨.     

结构振动分析中的无网格方法

无网格法采用移动最小二乘法构造位移函数，采用罚方法满足本征边界条件，对弹性体的振动问题进行了分析。首先，对权函数中的参数进行了讨论并优化，给出了参数最优值的确定方法；在此基础上对不同边界条件下梁和板的模态进行了分析；最后计算了受突加荷载作用的简支梁以及具有初位移的筒支方板的动力响应。计算结果表明该方法在动力问题的分析中有较高的精度。