沿板平面材料梯度变化功能材料板件分析

本文发展一种功能梯度构件分析的细观元法.细观元法在构件的常规有限元内部设置密集观细单元以反映材料特性变化,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算.这种细观元法既能充分反映材料功能梯度沿各方向任意变化特性;而其计算单元又和常规有限元一样,是一种针对功能梯度结构分析的有效数值方法.现有功能梯度板件分析中无论对不同形状还是不同边界的功能梯度构件,其材料特性均沿板厚度方向梯度变化,本文用细观元法进行计算与分析,给出了目前尚未得到的沿板平面方向功能梯度变化构件的力学量三维分布形态.     

功能梯度材料构件三维分析的细观元模型

提出一种新颖的功能梯度构件分析的细观元法,给出了方法模型、基本算式及特点与功能。细观元法对构件的常规有限单元内部设置密集细观单元以反映材料特性梯度变化,又通过协调条件将各细观元结点自由度转换为同一常规有限元自由度,再上机计算。这种细观元法既能充分反映材料功能梯度及组分变化特性,而其计算单元与自由度又与常规有限元一样,是一种针对功能梯度构件分析的有效数值方法。算例表明了细观元法对不同情况下功能梯度构件分析的适应性与精度。     

空隙分布对功能梯度板件宏观响应的影响

提出了一种新的功能梯度结构分析的细观元法. 细观元法对结构的常 规有限单元内部设置密集细观单元以反映材料细观构造,又通过协调条件将各细观元结点自 由度转换为同一常规有限元自由度. 此方法实现了材料细观结构到构件宏观响 应的直接过渡分析. 用细观元法来分析细观构造上空隙存在对宏观响应影响,给出了含 有不同分布与形状、位置空隙的功能梯度板件的力学量三维分布形态,实现功能梯度材料结 构宏、细观间跨尺度分析.     

中等组分网状结构局部微变对功能梯度板三维动力特性的影响

利用细观元方法根据材料实际金相图片信息进行材料参数输入,对发生局部网格变化的功能梯度板件进行三维动力特性分析,完成了材料细观结构与构件宏观响应间的跨尺度分析.细观元法在结构的常规有限元内部设置密集的细观单元来反映材料细观构造,此方法可实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过渡分析,为具有细观结构微观变化的功能梯度板件的分析提供一种新的工具.利用细观元法对具有中等组分网状结构发生局部微变的功能梯度板进行三维动力特性分析,给出其固有频率及振型的三维分布,特别是功能梯度板应力振型的平面等值线图差异,得到较好的结果.     

功能梯度材料板件三维分析的半解析梯度有限元法

将半解析有限元与梯度有限元相结合,形成一种半解析梯度有限元来求解功能梯度材料板件问题。该方法兼有有限元法的适应性强、程序统一,半解析有限元法的节省单元与计算工作量,梯度有限元法的适应构件内部材料性能任意梯度分布等特点,并实现用一维数值计算给出构件三维分析结果。算例分析表明了方法的精度、功能与上述特点,充分揭示了功能梯度材料板件力学响应的三维形态。半解析梯度有限元法可推广应用到其他功能梯度材料面结构的各类分析中。     

基于金相图片识别功能梯度材料参数的梯度分布函数

功能梯度材料具有复杂的细观结构.其内部构造远比匀质材料复杂.以目前的实验条件,测量功能梯度材料参数分布函数一般是十分困难的.该文提出一种细观元方法,直接利用功能梯度材料金相图片信息,来进行功能梯度构件宏观响应的跨尺度力学分析.另在功能梯度材料结构静、动力正演分析基础上,根据正演所求得的挠度或固有频率值,采用混和罚函数法来反演识别功能梯度材料参数的宏观梯度分布函数.     

反映材料微观结构效应的宏观动力特性分析

探讨了实现复合材料细观结构与构件宏观动力特性直接关联的细观元法。细观元法先进行宏观单元剖分，然后分析细观结构，将微结构力学量转化为宏观结点量计算。该方法不增加自由度，但使得微结构层次上任意铺设方式和任意微小变化均能在宏观动力特性上得到反映。     

热流密度/对流换热边界下双向梯度板的瞬态温度场分析

采用有限单元-有限差分法研究了热流密度/对流换热边界条件下双向梯度板的瞬态热传导问题。采用细观力学方法结合混合律准则描述了材料的热物理属性,通过推导一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型。计算给出了在考虑组份属性的温度效应下,温度场的时间响应历程以及不同时刻温度场的空间分布形式,并与材料属性温度无关时的计算结果进行了比较,最后讨论了相关参数对瞬态温度场的影响规律。结果表明：温度较低时,组份属性的温度效应对瞬态温度场影响很小;在 y 方向热流密度载荷的作用下,温度场沿 x、y 方向均存在明显的梯度;x 方向组份体积分布系数的增大,延长了温度场达到稳态需要的时间,绝对温度梯度沿 x、y 方向均增大,稳态温度场升高;增大 y 方向组份体积分布系数的值,情况相反。     

一种特殊梯度分布的功能梯度圆柱壳的二维分析

功能梯度材料是一种新型材料,其结构分析已成为当今力学研究的热点。本文对一种特殊梯度分布的功能梯度材料圆柱壳进行了二维精确分析。从弹性力学平面应变问题的基本方程出发,引入应力函数,导出功能梯度材料圆柱壳受静载作用下的控制微分方程。假设材料的杨氏模量沿半径方向呈幂函数分布,泊松比为常数,利用分离变量法,导出了简支边界情况下功能梯度圆柱壳的精确解。通过算例分析了不同梯度变化时,功能梯度圆柱壳内的应力和位移变化规律。计算结果表明不同梯度分布的圆柱壳结构中的应力、位移沿厚度方向的变化规律是不同的,有时甚至差别很大。因此对于材料性质梯度变化的功能梯度材料圆柱壳,必须针对其自身特点,建立相应的理论分析模型。     

黏弹性功能梯度材料裂纹问题的有限元方法

针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径. 通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子. 给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值. 文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性. 然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori-Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量. 计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关. 由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.     

THREE-DIMENSIONAL STATIC ANALYSES FOR FGM PLATES WITH MEDIUM COMPONENTS AND DIFFERENT NET STRUCTURES

A new microelement method for the analyses of functionally graded structures was proposed. The key of this method is the maneuverable combination of two kinds of elements. Firstly, the macro elements are divided from the functionally graded material structures by the normal finite elements. In order to reflect the functionally graded distributions of materials and the microconstitutions in each macro-element, the microelement method sets up the dense microelements in every macro-element, and translates nodes to the same as the normal finite elements by the degrees of freedom of all microelemental the compatibility conditions. This microelement method can fully reflect the micro constitutions and different components of materials, and its computational elements are the same as the normal finite elements, so it is an effective numerical method for the analyses of the functionally graded material structures. The three-dimensional analyses of functionally graded plates with medium components and different micro net structures are given by using the microelement method in this paper. The differences of the stress contour in the plane of functionally graded plates with different net microstructures are especially given in this paper.     

含尺度效应的功能梯度三明治微梁振动、弯曲与屈曲特性研究

基于修正的应变梯度理论和精化的高阶剪切变形理论,提出了一种含尺度效应的功能梯度三明治微梁模型。功能梯度材料的等效弹性参数由Mori-Tanaka均匀化方法描述。针对微梁的高阶边值问题,融合微分求积和Gauss-Lobatto求积准则,建立了一种2节点18自由度的微分求积有限元。通过对比性研究,验证了理论及数值模型的有效性。最后,讨论了边界条件、材料尺度参数、功能梯度指数、长细比、各层厚度比等对功能梯度三明治微梁静动态特性的影响。结果表明,功能梯度三明治微梁的静力响应、振动频率、屈曲荷载以及模态均呈现出显著的尺度效应,所得结果有望为微机电系统中承载器件的设计提供数据积累和方法依据。     

功能梯度板动力分析的光滑有限元法研究

为提高功能梯度板动响应问题求解精度,基于一阶剪切变形板理论,提出了求解功能梯度板自由振动问题的Cell-Based 光滑有限元格式．功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化,计算系统刚度矩阵时在光滑域内进行光滑梯度操作,可提高求解精度．采用Cell-Based 光滑有限元法,讨论了长厚比、形状因子和边界条件对两种典型功能梯度方板无量纲频率参数的影响,并与FEM法的解和文献中的解做了对比．数值算例的结果表明,光滑梯度操作可改善有限元系统的刚度,Cell-Based 光滑有限元法的计算结果更加逼近真实解,从而为功能梯度材料的进一步应用打下基础．     

Stress analysis of functionally graded shells using a 7-parameter shell element

In this paper, finite element stress analysis of functionally graded structures using a high-order spectral/hp shell finite element is presented. The shell element is based on a seven-parameter first-order shear deformation theory in which the seventh parameter, in addition to the usual six degrees of freedom, is the thickness stretch. The continuum shell element is utilized for the numerical simulations of the fully geometrically nonlinear response of functionally graded elastic shell structures. Several nontrivial shell problems are considered to report deflections and stresses, the latter being the main focus of the current paper. It is found that the stresses computed in the current study agree only in some cases with those of ANSYS and/or ABAQUS and thus requires additional study to determine the cause of the disagreement.     

Static analysis of simply supported functionally graded and layered magneto-electro-elastic plates

In this article, static analysis of functionally graded, anisotropic and linear magneto-electro-elastic plates have been carried out by semi-analytical finite element method. A series solution is assumed in the plane of the plate and finite element procedure is adopted across the thickness of the plate such a way that the three-dimensional character of the solution is preserved. The finite element model is derived based on constitutive equation of piezomagnetic material accounting for coupling between elasticity, electric and magnetic effect. The present finite element is modeled with displacement components, electric potential and magnetic potential as nodal degree of freedom. The other fields are calculated by post-computation through constitutive equation. The functionally graded material is assumed to be exponential in the thickness direction. The numerical results obtained by the present model are in good agreement with available functionally graded three-dimensional exact benchmark solutions given by Pan and Han [Pan, E., Han, F., in press. Green’s function for transversely isotropic piezoelectric functionally graded multilayered half spaces. Int. J. Solids Struct.]. Numerical study includes the influence of the different exponential factor, magneto-electro-elastic properties and effect of mechanical and electric type of loading on induced magneto-electro-elastic fields. In addition further study has been carried out on non-homogeneous transversely isotropic FGM magneto-electro-elastic plate available in the literature [Chen, W.Q., Lee, K.Y., Ding, H.J., 2005. On free vibration of non-homogeneous transversely isotropic magneto-electro-elastic plates].