功能梯度压电圆板轴对称自由振动问题精确解

将功能梯度压电圆板的位移变量和电势变量写为分离变量的形式，由压电动力学平衡方程导出以位移、电势及其一阶导数为状态变量的状态方程，考虑周边固支接地的边界条件，导出了求解功能梯度压电圆板自振频率精确解的方程。将方程退化至一般的非梯度纯弹性圆板的形式，求解其自振频率，得到的结果与相应的理论解完全吻合，从而验证了本文方法的正确性。更进一步地对梯度函数沿板厚以指数形式变化的功能梯度压电圆板的自振频率进行了计算，并得到了梯度化对板自振频率的影响规律。     

功能梯度矩形厚板的三维热弹性分析

直接从三维热弹性力学基本方程出发，通过引入两个位移函数和两个应力函数，导出了一个二阶的齐次状态方程和一个四阶的非齐次状态方程。分析中采用了层合近似模型，即将板划分成厚度足够小的若干薄层，从面可将每一层内的材料常数近似为常数。给出了任意厚度的四边简支横观各向同性功能梯度矩形板的热弹性分析，特别当板较薄时，与薄板理论进行了数值对比，发现两者结果吻合很好。最后研究了材料梯度指标对热弹性场的影响，结果显示梯度指标对热应力和位移都有着显著的作用：在不同的区间，梯度指标对它们有不同的影响；并且在同一区间，梯度指标对两者的影响程度也有所不同。     

球面各向同性功能梯度球壳的自由振动

通过引入位移函数和应力函数,针对沿径向非均匀的球面各向同性弹性动力学的基本方程建立了两个解耦的变系数状态方程。利用层合近似理论,将变系数状态方程转化为常系数状态方程,并给出了相应的解。进而利用层间连续条件,得到关于内外球壳表面边界量的相应线性方程。由自由表面条件导出对应两类独立振动的频率方程。最后给出了算例,并讨论了材料梯度指标对球壳两类固有频率的影响。在地球动力学分析中有一定的应用前景。     

功能梯度材料矩形板的三维静动态响应分析

基于线弹性理论的基本方程,选用3个位移分量和3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矩形板的三维状态方程. 考虑四边简支的边界条件,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矩形板的静动态响应受组分材料分布以及板厚长比变化的影响规律.      

功能梯度梁与均匀梁静动态解间的相似转换

基于Euler-Bernoulli 梁理论, 研究了功能梯度材料梁的弯曲、屈曲和自由振动. 通过分析和比较功能梯度材料梁 和均匀梁的控制方程, 得到了功能梯度材料梁与均匀梁的解之间的相似转换关系. 在给定功 能梯度材料梁的材料性质在横向按幂函数分布的情况下, 导出了解之间的相似转换系数的解 析表达式. 该系数集中反映了功能梯度梁的材料非均匀性. 因此, 可将功能梯度材料梁的静 动态问题的求解转换为同样载荷和边界条件下均匀梁的静动态问题求解以及相似转换系数的 计算.     

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。     

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。     

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.     

粘贴压电层功能梯度材料Timoshenko梁的热过屈曲分析

研究了上下表面粘贴压电层的功能梯度材料Timoshenko梁在升温及电场作用下的过屈曲行为。在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上,建立了压电功能梯度Timoshenko层合梁在热-电-机械载荷作用下的几何非线性控制方程。其中,假设功能梯度的材料性质沿厚度方向按照幂函数连续变化,压电层为各向同性均匀材料。采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得了在均匀电场和横向非均匀升温场内两端固定Timoshenko梁的静态非线性屈曲和过屈曲数值解。并给出了梁的变形随热、电载荷及材料梯度参数变化的特性曲线。结果表明,通过施加电压在压电层产生拉应力可以有效地提高梁的热屈曲临界载荷,延缓热过屈曲发生。由于材料在横向的非均匀性,即使在均匀升温和均匀电场作用下,也会产生拉-弯耦合效应。但是对于两端固定的压电-功能梯度材料梁,在横向非均匀升温下过屈曲变形仍然是分叉形的。     

功能梯度材料断裂行为实验研究

功能梯度材料作为一种新型材料在众多领域中有着重要的应用价值,其断裂问题是固体力学与材料科学共同关注的课题. 目前,功能梯度材料断裂力学研究工作主要集中在理论分析和数值模拟两方面,实验研究相对较少,其中的大部分实验工作只关注功能梯度材料的宏观断裂性能,而缺乏对其微观断裂机理的研究.本文对近10年来功能梯度材料断裂行为的实验研究的进展予以介绍和评述.首先介绍了可应用于功能梯度材料断裂行为研究的实验方法,然后介绍了相关实验工作的进展和取得的成果,最后分析了实验工作的不足之处,从实验研究角度提出了下一阶段功能梯度材料断裂行为的研究重点.      

基于高阶梁理论的功能梯度材料自由振动分析

本文基于一种新型的高阶梁理论,研究了功能梯度材料梁的自由振动问题。首先对该新型高阶梁理论进行了介绍,然后对该理论进行了有限元实现,并利用Hamilton原理推导得到了离散的动力学平衡方程,构造了2节点8自由度的C1型高阶梁单元。参照文献作了均质悬臂梁的模态分析,验证了该梁单元的精度。然后利用该单元进行功能梯度梁的模态分析,并构造了一种材料相关性很弱的无量纲固有频率。由该无量纲固有频率引入了功能梯度梁与均质梁固有频率之间的转换关系,并通过算例分析了该转换关系的适用条件。     

热荷载作用下Timoshenko功能梯度夹层梁的静态响应

在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上建立了Timoshenko功能梯度夹层梁在热载荷作用下的几何非线性控制方程.采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得了两端固支功能梯度夹层梁在横向非均匀升温作用下的静态热过屈曲和热弯曲变形数值解.分析了功能梯度材料参数变化、不同表层厚度和升温参数对夹层梁弯曲变形、拉-弯耦合变形的影响,并给出温度函数在夹层梁厚度方向的具体分布形式.     

旋转内接功能梯度材料梁刚柔热耦合动力学特性研究

对具有旋转内接功能梯度材料(functionally graded material,FGM) 梁系统的刚柔热耦合动力学特性进行研究。假定梁为Euler–Bernoulli 型,由双组分材料制成,其力学性能参数沿厚度方向呈幂律变化。考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形,并计入横向弯曲引起的纵向缩短,即非线性耦合项。采用假设模态法离散柔性梁的变形场,运用第二类 Lagrange 方程推导出系统的一次近似刚柔热耦合动力学方程,并编制旋转内接FGM梁动力学仿真软件。然后通过仿真算例详细研究了各种无量纲参数及温度变化对系统固有频率、临界转速以及动力学特性的影响。研究表明：内接FGM梁的径长比、功能梯度系数以及温度变化对系统的动力学特性均有较大影响。

     

功能梯度压电夹层结构中SH波的传播

研究了功能梯度压电上、下半空间和均匀压电层组成的夹层结构中SH波的传播性能,上、下功能梯度半空间的材料性能沿垂直于界面方向以指数函数形式变化.首先推导了SH波传播时电弹场的解析解,然后利用界面条件得到了行列式形式的频散方程.基于推导的频散方程,通过数值算例表明了材料性能梯度变化、压电层厚度和材料组合方式对相速度的影响,结果对功能梯度压电材料在声波器件中的应用有参考价值.     

功能梯度与均匀圆板静动态解之间的相似转换关系

基于经典板理论,研究了功能梯度材料圆板的轴对称弯曲、屈曲和自由振动解与相应的均匀材料圆板解之间的转换关系.通过消去拉-弯耦合项得到了以挠度函数表示的功能梯度圆板的弯曲、屈曲和自由振动控制方程.分析功能梯度圆板与均匀圆板的控制方程之间的相似性,得到了功能梯度材料圆板与均匀圆板的解之间解的相似转换关系,在假定FGM圆板的材料性质沿厚分别以幂函数和指数函数的度变规律后,给出了相应的转换系数的解析表达式.该系数集中反映了功能梯度圆板的材料非均匀性.在已知均匀材料圆板轴对称解的条件下,可将功能梯度材料圆板轴对称问题的求解转化为相似转换系数的计算问题.这一方法可为非均匀板的求解提供了十分便捷有效的途径,而且便于工程应用.     

热环境中黏弹性功能梯度材料及其结构的蠕变

基于经典的对应原理, 将 Mori-Tanaka 方法等细观力学结果推广于定常温度环境下的黏弹性情形. 根据泊松比与时间呈弱相关的特点, 给出 Laplace 象空间中功能梯度材料的松弛模量和热膨胀系数, 并直接建立耦合热应变的多维黏弹性本构关系. 在此基础上, 求解黏弹性功能梯度圆柱薄壳在热环境中的轴对称弯曲蠕变变形问题. 考虑材料热物参数的温度相关性, 首先确定稳态温度场, 导出相空间中轴对称弯曲变形的解析解, 采用数值反演得到蠕变变形. 算例表明, 蠕变初期, 热环境的影响明显, 随着时间增加, 热应力松弛, 影响逐渐消失. 当圆柱薄壳受轴压时, 相比于两端固支, 两端简支的端部变形更加明显. 通过圆柱薄壳的轴对称弯曲求解, 给出体积含量呈任意分布的黏弹性功能梯度结构在热机载荷下的蠕变分析途径.      

THREE-DIMENSIONAL THERMOELASTIC ANALYSIS OF FUNCTIONALLY GRADED PLATE

Three-dimensional thermoelastic analysis is presented for an orthotropic functionally graded rectangular plate,which is simply supported and isothermal on its four lateral edges.With the assumption that material properties have arbitrary dependence on the thickness-coordinate,a Peano-Baker series solution is obtained for the thermoelastic fields of the functionally graded plate subjected to mechanical and thermal loads on its upper and lower surfaces by means of state space method.The correctness of the obtained series solution is validated through numerical examples.The influence of different material properties distributions on the structural response of the plate is also studied.