有限长FGM圆筒的热/机应力的解析解

利用微分方程的级数求解方法,分析了两端简支的有限长功能梯度圆筒的轴对称稳态热弹性问题,推导出了稳态温度场与应力场的解析解。分析中采用指数函数模型来描述FGM圆筒中材料性能在厚度方向的连续变化,同时忽略温度对材料性能的影响。另外,论文以金属钼和多铝红柱石制成的功能梯度圆筒为例,给出了稳态温度场和应力场的数值结果。     

竖向裂缝对功能梯度板的热响应影响

采用条单元法分析了竖向裂缝对功能梯度板的热响应影响。功能梯度板的材料属性沿板厚方向连续线性变化,温度变化热源作用于带竖向裂缝的功能梯度板上。通过研究得出了裂缝距离热源不同位置、不同长度裂缝及不同频率温度变化热源等状态时,功能梯度板上表面的热响应情况。采用条单元法研究带竖向裂缝的功能梯度板的热响应问题,为带裂缝的功能梯度板的热研究提供了一定的指导。     

基于状态空间理论的功能梯度圆球瞬态热传导分析

基于状态空间理论研究功能梯度圆球的球对称瞬态热传导问题。根据热传导方程和热流密度的定义,取温度场和热流密度为系统的状态向量,通过将圆球分层和在时域内应用差分格式对控制方程进行离散,建立了系统的状态方程,给出了功能梯度圆球瞬态热传导问题的半解析解。算例分析表明:本文解不但结果正确、计算效率高,而且适用于材料参数沿径向任意梯度变化的圆球瞬态热传导分析。     

AN ANALYSIS OF TRANSIENT HEAT CONDUCTION FOR FUNCTIONALLY GRADED SPHERES BASED ON STATE SPACE THEORY1)

基于状态空间理论研究功能梯度圆球的球对称瞬态热传导问题。根据热传导方程和热流密度的定义,取温度场和热流密度为系统的状态向量,通过将圆球分层和在时域内应用差分格式对控制方程进行离散,建立了系统的状态方程,给出了功能梯度圆球瞬态热传导问题的半解析解。算例分析表明：本文解不但结果正确、计算效率高,而且适用于材料参数沿径向任意梯度变化的圆球瞬态热传导分析。     

横向裂缝对功能梯度板的热响应影响

采用条单元法分析了横向裂缝对功能梯度板热响应的影响。研究了功能梯度板的材料属性沿板厚方向连续线性变化时,温度变化热源作用于带横向裂缝的功能梯度板的问题（此热源沿板厚方向连续线性变化）。通过研究不同频率温度变化热源,得到了当量纲为一的温度变化热源频率为3.14时,功能梯度板上表面出现的位移响应比较均匀;通过研究裂缝长度取H、3H、5H时出现的位移响应,得到了根据位移响应特性判断裂缝长度的方法;通过对不同深度裂缝的研究表明：裂缝越深,上表面位移响应强度越小。本研究对带横向裂缝的功能梯度板的热响应问题具有一定的指导意义。     

功能梯度板条的热弹性力学解

本文利用推广后的Mian 和Spencer 功能梯度板理论,研究了功能梯度板条在非均布温度场作用下的热弹性问题．采用该理论中的位移展开公式,在板厚度方向上考虑热传导引起的稳态温度场,材料常数沿板厚方向可以任意连续变化,从而得到了基于弹性理论的功能梯度板条在温度场作用下的解析解．通过数值算例分析,验证了本文理论的正确性并讨论了边界条件和梯度变化程度对功能梯度板条热弹性响应的影响．     

基于混合数值法的功能梯度材料板瞬态热响应分析

采用混合数值法分析了功能梯度材料板中瞬态热响应问题．功能梯度材料板的材料特性沿板厚方向连续变化,在梯度板中心作用温度变化的热源,此热源沿板厚方向连续分布．得出了温度变化对梯度板的影响,观测点处的位移响应与应力变化随时间分布的曲线以及瞬态的位移响应．研究表明,温度变化对板的作用效果与外载作用对板的作用效果是相当的．此研究是对混合数值法的在热领域应用的延伸与开拓,对热响应问题的研究具有一定的指导意义．     

功能梯度平板的二维热弹性分析

本文研究正交各向异性功能梯度平板的二维热弹性问题.该平板在y方向无限长,x方向对边简支且温度恒定.从热弹性力学的基本方程出发,假设材料参数沿板厚方向(z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荷载和热荷 载的情况下,获得了功能梯度平板二维热弹性问题的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不同的幂函数分布对平板响应的影响.     

TEC结构的三维非线性瞬态温度场分析

热电制冷器(TEC)以其体积小、作用速度快及无噪音等机械制冷无法替代的优点在航空航天和电子工业等领域得到了越来越广泛的应用。本文根据TEC的导热特点,推导了TEC结构稳态温度场的解析解,建立了其瞬态非线性温度场分析的微分方程。利用伽辽金法导出TEC结构热分析的有限元方程,对非线性热分析的有限元方程进行了求解,得到了TEC的稳态温度场和瞬态响应温度场。算例结果表明,本文提出的TEC结构热分析有限元模型具有较高的精度,能够有效地分析TEC的非线性瞬态温度场。     

功能梯度压电材料板的有限元解

本文利用变分原理和功能梯度压电材料的本构关系、几何关系、板的边界条件等，推导出功能梯度板的有限元方程。其中考虑了横向剪切变形的影响，采用了板变形问题的Mindlin假设，板内电势设为声：Ф=ψ0（x,y）＋ψ1（x,y）z＋ψ2（x,y）z^2＋ψ1（x,y）g（z），并假设材料的力学和电学常数均沿板厚度z方向按同一函数规律K=K^0f（z）变化，其中f（z）为任意的函数形式。为了验证本文方法的正确性，以功能梯度压电材料正方形板为例，使板所受的机械荷载和电荷载以及函数f（z）的形式与参考文献中所给出的相同，利用本文中提出有限元法计算了功能梯度板的电势和位移，所得结果与参考文献中的几乎一致。最后用此法计算四边简支，接地，线性梯度的PZT-4正方形板受均布荷载作用下的挠度和电势分布。     

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。     

功能梯度压电圆板自由振动问题的三维精确分析

本文对周边为广义刚性滑动和广义简支两种边界条件下的功能梯度压电材料圆板自由振动问题进行分析。根据轴对称横观各向同性压电材料基本方程，并利用有限Hankel变换得到了功能梯度压电材料圆板的状态空间方程。假设材料的机械和电学性质均沿板厚方向按统一的指数函数形式梯度分布，从而获得了周边为广义刚性滑动和广义弹性简支两种边界条件下功能梯度压电圆板自由振动问题的三维精确频率方程，该方程是一个关于自由振动频率的超越方程，通过求解该超越方程可得到在不同板厚以及不同的材料性质梯度变化情况下的圆板自由振动频率值，结果表明在相同的材料性质梯度变化情况下频率均随着板厚增加而增大，而在相同的板厚情况下频率则随材料性质梯度变化指数的增大而减小的结论。     

星载抛物面天线反射器瞬态热分析

星载抛物面天线反射器在周期性的冷热辐射作用下,产生不均匀的温度分布,过大的热变形严重影响卫星通信质量;采用一种8节点超参数壳单元,通过每个节点3个温度自由度表示厚度方向上温度的非线性变化,建立了单元内温度插值函数,基于Galerkin法推导出受太空冷热辐射作用的壳体结构瞬态热分析的有限元公式;运用几何解析法分析了抛物面壳体的自遮挡.对某静止轨道卫星抛物面天线进行稳态分析,与FDM结果比较表明该方法具有良好的计算精度;在不考虑地球辐射热流作用的一个运行周期的瞬态分析中,该反射器上瞬间温差达200 K,在日照区内温度变化达250 K.     

基于自然单元法的功能梯度中厚板自由振动分析

自然单元法是一种基于自然邻近插值的无网格数值方法．相对于移动最小二乘近似而言,自然邻近插值不涉及到复杂的矩阵求逆运算,也不需要任何人为的参数．基于一阶剪切变形板理论,利用自然单元法对功能梯度中厚板的自由振动进行了数值分析．功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化．由于自然邻近插值函数具有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,对不同梯度指数和不同边界条件的功能梯度中厚板的振动频率进行了计算．通过与文献结果的对比验证了自然单元法求解的有效性．     

热冲击作用下非均质圆筒的广义热弹性分析

基于L-S广义热弹性理论,研究了非均质圆筒在热冲击作用下的广义热弹性问题。利用状态空间技术和有限差分格式,获得了材料性质沿径向任意梯度变化圆筒的一维广义热弹性解。通过算例分析,给出了延迟效应和耦合效应以及材料的梯度形式对圆筒内的温度和应力沿径向分布和随时间变化的影响。分析表明:延迟效应可反映热波以有限速度传播,波前形成巨大的温度梯度,并与弹性波相互作用引起尖峰应力;耦合效应在最初阶段或耦合系数较小时对温度传播影响较小,但会削弱尖峰应力的峰值;改变材料梯度可有效降低热冲击对圆筒内应力的影响。     

梯度功能材料热弹性应变场分析

本文采用显微数字散斑相关方法，对梯度材料在稳态梯度温度场分布状态下应变场进行了实验与理论计算的研究，并对结果进行了比较与分析，从而为研究、设计、制备梯度功能材料提供了实验方法，并可以梯度材料理论研究的发展提供依据。     

辐射换热下瞬态热-结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热-结构分析的空间薄壁杆单元,其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度,沿杆轴方向采用两结点线性插值,沿杆截面周向用三角函数展开,每结点含多个解耦的自由度,其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性,各谐摄动温度方程为线性,然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Ber-noulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解,针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力,还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的梁单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例,并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

轴对称自由振动功能梯度材料微圆板中的热弹性阻尼

基于经典弹性薄板理论和单向耦合热传导理论,研究了材料性质沿厚度连续变化的功能梯度微圆板的热弹性阻尼特性．首先,考虑热力耦合效应,建立了功能梯度微圆板轴对称横向自由振动微分方程．然后,忽略温度梯度在面内的变化,建立了单向耦合变系数一维热传导方程．采用分层均匀化近似方法,将变系数热传导方程转化为一系列常系数的微分方程,利用上下表面的热边界条件和层间连续性条件获得了微圆板温度场解析解．将所得温度场代入微圆板的自由振动微分方程,得到了包含热弹性阻尼的复频率,从而获得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子．最后,针对材料性质沿板厚按幂函数变化的陶瓷-金属功能梯度微圆板,定量地分析材料梯度指数、几何尺寸、边界条件、温度环境等对微圆板热弹性阻尼的影响．     

空间薄壁管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对于辐射换热的薄壁杆件航天结构，为分析其在太空中不同时刻的姿态下的温度场和热变形，构造了一种相对自由度矩形管单元。其基本思想是从2维非线性瞬态热传导方程出发，假设沿矩形管横截面上每边的温度为线性分布，用4个角点的平均温度和温差来表示矩形管横截面上的温度分布，构造了一种1维2结点温度杆单元，该单元每个结点包含平均温度，上下面温差，左右面温差3个自由度；在计算热变形时，此三个广义温度参数分别对应热轴力和2个热弯矩载荷。经与三维有限元计算结果的比较，证明用该单元计算的矩形管温度场和位移场是可靠的。利用这种新型的薄壁矩形管单元和本文作者在其他文章中提出的薄壁圆管单元，可以对非线性换热条件下的复杂空间结构进行比较准确的温度场和热变形有限元分析，最后本文计算了考虑遮挡的太阳能帆板的瞬态温度场和热变形以说明其应用价值。     

基于Mindlin横剪变形理论的功能梯度板热屈曲分析

Mindlin板理论对挠度和转角采用各自独立的场函数以反映一阶横向剪切变形,具有简明的表达式,适于建立功能梯度板的热屈曲分析模型。本文假设功能梯度材料沿板厚方向的分布为幂函数,采用混合定律和Mori-Tanaka方法计算功能梯度板的均质化等效力学性能。基于Mindlin板理论和von Karman应变-位移关系导出功能梯度板的非线性静力平衡方程,采用3结点三角形MIN3单元建立功能梯度板热屈曲的有限元模型,并分析了典型功能梯度板的热屈曲稳定性和热后屈曲变形。陶瓷-金属功能梯度板的数值计算结果表明:材料分布幂指数越大,即组份中陶瓷体积含量越少、金属体积含量越多,则陶瓷-金属功能梯度板的屈曲温度越低,且热后屈曲变形越大。这与陶瓷的弹性模量比金属的弹性模量大,但金属的热膨胀系数比陶瓷高有关;固支功能梯度板的热屈曲变形幅值比简支功能梯度板的热屈曲变形幅值低,但偏差量随着材料分布幂指数的增大略微降低。