基于等几何有限元法的功能梯度微板热力耦合屈曲预测

基于修正偶应力理论和Kirchhoff板理论,建立了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元模型。该模型仅包含一个材料尺度参数,能够描述尺度效应现象,且满足修正偶应力理论的高阶连续性要求。基于虚功原理推导了功能梯度微板热力耦合屈曲等几何有限元方程。通过对板的典型算例分析,讨论了材料尺度参数、边长比及梯度指数对板稳定性的影响。结果表明,本文模型预测的屈曲载荷总是大于宏观理论的结果,即捕捉到了尺度效应现象;随着临界屈曲力的增加,临界屈曲热载荷线性减少;此外,边长比和梯度指数也对微板的稳定性产生一定影响。     

径向弹性约束下功能梯度圆板的热过屈曲

研究了周边具有面内径向弹性约束功能梯度圆板在横向非均匀升温下的热过屈曲行为.基于von Karman薄板理论,推导出了横向非均匀加热功能梯度圆板在径向弹性约束作用下的位移形式的轴对称热过屈曲控制方程.假设功能梯度材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化,采用打靶法求解得到非线性常微分方程边值问题,获得了周边简支和夹紧条件下功能梯度圆板的热过屈曲响应.定量分析了径向弹性约束对圆板的临界屈曲温度载荷以及热过屈曲变形的影响,给出了不同弹性约束刚度功能梯度圆板的热过屈曲平衡路径和平衡构形.数值结果表明,径向弹性约束对圆板的热过屈曲平衡路径的影响显著,随着约束刚度的减小,临界屈曲温度载荷增大.     

S型功能梯度扁球壳非线性屈曲的渐近分析

本文利用渐近迭代法获得了边界弹性支撑的功能梯度扁球壳的非线性屈曲问题的理论解．假设材料组分体积分数沿壳体厚度方向呈sigmoid幂函数变化,边界上考虑一般的弹性支撑约束．基于经典的薄壳理论和几何非线性关系,导出了S型功能梯度扁球壳的非线性屈曲问题的控制方程．采用渐近迭代法通过两次迭代得到了无量纲挠度和均布荷载之间的非线性特征关系．通过与已有有限元方法和其他数值方法的结果对比,验证了本文解的有效性和高精度．同时,通过计算阐述了缺陷因子、材料参数、边界约束系数及特征几何参数对壳体临界屈曲荷载的影响．     

考虑制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化,研究含丝束重叠、间隙等制作缺陷的变角度纤维复合材料层合板的屈曲问题。采用ABAQUS有限元软件建立层合板的有限元模型,选用S4壳单元计算四边简支层合板在两端压缩荷载作用下的屈曲临界荷载及屈曲模态,并进行详细的参数分析。研究结果表明:当起始角相同时,含或不含制作缺陷的层合板的屈曲临界荷载均随着终止角的增大而逐渐提高,说明纤维的不同铺设方式对层合板的屈曲性能有很大影响。含重叠缺陷的层合板的屈曲临界荷载均大于不含缺陷层合板的值,而含间隙缺陷的层合板的屈曲临界荷载均小于不含缺陷层合板的值。当层合板的重叠、间隙缺陷共存且面积相等时,层合板的屈曲临界荷载与不含缺陷时层合板的值接近,制作缺陷对变角度纤维复合材料层合板屈曲模态的影响较小。本文研究结果可为含缺陷的变角度纤维复合材料层合板设计提供一定参考。     

热环境中功能梯度圆柱薄壳分岔屈曲的边界约束效应

基于前屈曲一致理论,研究了热环境中受轴压功能梯度圆柱薄壳分岔屈曲的边界约束效应问题.导出前屈曲变形的解析解,结合分离变量法与有限差分法求解分岔屈曲控制方程,由此导出确定临界轴压的非线性特征值问题.考虑材料热物性质与温度的相关性,分别就两端简支和两端固支边界条件,分析了温度梯度、初始几何缺陷、组分材料体积分数对分岔屈曲临界荷载的影响.结果表明:相比两端简支的情形,两端固支功能梯度圆柱薄壳分岔屈曲的温度敏感性与缺陷敏感性更加明显,但随着温度梯度的增加而有所降低,组分材料的体积分数指数对简支和固支时的缺陷敏感度影响很小,功能梯度圆柱薄壳的边界约束效应随着缺陷幅值增大而减弱.     

基于物理中面FGM板屈曲的有限元分析

基于物理中面的概念,根据最小势能原理推导了功能梯度材料FGM薄板屈曲的有限元控制方程,求得临界荷载的有限元解。利用FGM板的屈曲方程与参考均匀板的屈曲方程之间的相似性,建立了FGM板的临界荷载与参考均匀板的临界荷载之间的相似转换关系式,从而将FGM板临界荷载的计算转变为参考均匀板的临界荷载和材料不均匀系数的计算,极大地提高了计算效率,为FGM的推广起积极的推动作用。通过数值算例,将由有限元法和转换关系式得到的临界荷载进行了比较,并讨论了边界条件、荷载工况、材料组成和几何尺寸等对FGM板临界荷载的影响。     

功能梯度材料矩形中厚板的受压/热致屈曲

考虑材料组份沿板厚度方向按幂律变化的情形,研究了温度均匀变化时固支功能梯度材料(FGM)矩形中厚板的受压屈曲、热致屈曲和考虑热/机械预应力时的屈曲问题,给出了基于Reddy高阶剪切理论研究板屈曲荷载和屈曲临界温度的半解析数值方法.并以Si3N4/SUS304板为例考虑了材料组份、预加应力、横向剪切变形及面内位移约束条件等对FGM板屈曲承载能力的影响.     

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。     

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。     

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。     

Hamilton体系下功能梯度梁的热冲击动力屈曲分析

在Hamilton体系下,基于Euler梁理论研究了功能梯度材料梁受热冲击载荷作用时的动力屈曲问题;将非均匀功能梯度复合材料的物性参数假设为厚度坐标的幂函数形式,采用Laplace变换法和幂级数法解析求得热冲击下功能梯度梁内的动态温度场:首先将功能梯度梁的屈曲问题归结为辛空间中系统的零本征值问题,梁的屈曲载荷与屈曲模态分别对应于Hamilton体系下的辛本征值和本征解问题,由分叉条件求得屈曲模态和屈曲热轴力,根据屈曲热轴力求解临界屈曲升温载荷。给出了热冲击载荷作用下一类非均匀梯度材料梁屈曲特性的辛方法研究过程,讨论了材料的梯度特性、结构几何参数和热冲击载荷参数对临界温度的影响。     

基于连续丝束剪切技术的变角度复合材料层合板的热屈曲分析

连续丝束剪切(Continuous Tow Shearing, CTS)铺放技术是一种新的变角度层合板制作技术，这种新技术能显著减少丝束铺放过程中产生的丝束重叠和间隙等缺陷，然而，采用CTS技术铺设时，层合板的厚度将随着纤维角度的变化而变化．本文基于一阶剪切变形理论并应用Chebyshev-Ritz法对这种变厚度的变角度复合材料层合板的热屈曲问题进行了研究．假设纤维方向角沿板的长度方向按照线性变化，获得了均匀温度变化时变厚度层合板的临界热屈曲荷载．通过与现有文献的比较验证了本文方法的正确性，并进一步讨论了纤维铺设技术、纤维方向角的变化以及边界条件的不同对变角度复合材料层合板的临界屈曲温度的影响．研究结果表明，在体积相同的情况下，采用CTS铺设较传统的自动丝束铺放(AFP)可以进一步提升变角度层合板的临界屈曲温度．本文的研究结果可为变角度复合材料的设计提供一定的参考．     

轻质金属点阵夹层板热屈曲临界温度分析

本文针对均匀温度场下四边简支和四边固支金属点阵夹层板的临界热屈曲温度进行了求解和参数影响分析。将点阵夹芯等效为均匀连续体,并且将夹层板的剪切刚度近似为点阵夹芯的抗剪切刚度,忽略夹芯的抗弯刚度且认为夹层板主要由面板来提供抗弯刚度。对于无法获得解析解的四边固支条件,通过对未知变量进行双傅里叶展开的方法求解了Ressiner夹层板模型的临界屈曲温度,理论分析结果与有限元计算结果吻合良好。进一步分析了不同边界条件、点阵胞元构型、点阵材料相对密度、面板厚度等对临界屈曲温度的影响规律。     

功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动

基于Reddy高阶剪切变形理论和广义Kámán型方程,对热环境中功能梯度材料剪切板屈曲后的自由振动进行了分析,分析中同时考虑材料热物参数对温度变化的依赖性及热传导.数值算例给出均匀和非均匀温度场中功能梯度材料剪切板在轴向压缩荷载作用下的振动特性,并讨论了材料组分指数、温度场等参数变化所带来的影响.     

含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth, VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析：在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。     

基于新修正偶应力理论的Mindlin层合板热稳定性分析

以新修正偶应力理论为基础,首次提出了机械载荷与热载荷共同作用下的微尺度Mindlin层合板热稳定性模型,该模型只引入一个材料尺度参数,通过虚功原理推导出了控制方程和边界条件,以四边简支方板为例,进行了热稳定性分析,应用纳维叶解法得到解析解。结果表明,所建模型可以捕捉到尺度效应。材料尺度参数值越大,屈曲临界温度越高;当跨厚比增大时,屈曲临界温度下降;随着板几何参数的增大,模型将退化为宏观模型;温度变化量越大,考虑热载荷作用下的屈曲临界载荷越大,尺度效应体现越显著。     

剪切变形对FGM圆板轴对称屈曲的影响

基于一阶剪切变形板理论，推导了功能梯度材料圆形板在边界面内均布压力作用下的轴对称屈曲方程。在推导过程中，忽略了前屈曲耦合变形。利用一阶板理论与经典板理论屈曲方程之间在数学形式上的相似性，得到了一阶板理论下功能梯度材料圆板与经典板理论下均匀圆板临界屈曲载荷之间的解析关系。利用这个解析关系，可以直接从已有的较为简单的经典理论的结果，获得一阶板理论下功能梯度材料板的临界屈曲载荷。     

面内预应力功能梯度材料矩形板的横向弯曲

功能梯度材料（FGM)是一类具有广阔应用前景的新型复合材料。本文考虑材料物性参数随坐标和温度变化的特性，研究横向荷载和面内预加荷载作用下FGM矩形板在各种边界条件下的弯曲问题。给出了基于一维微分求积格式的Galerkin技术的半解析方法，并以ZrO2/Ti-6Al-4V板为例考察了材料组分，温度相关性，面内预加荷载，边界约束条件等对FGM板弯曲行为的影响。结果表明，FGM板的弯曲变形介于各向同性陶瓷板与各向同性金属板之间，且随板抗弯刚度的增大而逐步减小，在高温下条件下必须考虑材料物性和温度的相关性。     

弹性地基上多孔功能梯度材料矩形板的自由振动与临界屈曲载荷分析

多孔功能梯度材料(FGM)构件的特性与孔隙率和孔隙分布形式有密切关系。本文基于经典板理论,考虑不同孔隙分布形式时修正的混合率模型,研究Winkler弹性地基上四边受压多孔FGM矩形板的自由振动与临界屈曲载荷特性。首先利用Hamilton原理和物理中面的定义推导Winkler弹性地基上四边受压多孔FGM矩形板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化,然后应用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程和边界条件进行变换,得到计算无量纲固有频率和临界屈曲载荷的代数特征方程。将问题退化为孔隙率为零时的FGM矩形板并与已有文献进行对比以验证其有效性。最后计算并分析了梯度指数、孔隙率、地基刚度系数、长宽比、四边受压载荷及边界条件对多孔FGM矩形板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。     

考虑横向拉伸影响的FGM夹层板动不稳定性分析

以受多种形式面内载荷作用下的功能梯度夹层矩形板为研究对象,夹层板的功能梯度层组分材料沿厚度方向按幂律分布,考虑组分材料物性参数的温度相关性.研究中所用的位移场在Reddy高阶剪切变形理论基础上考虑了横向拉伸的影响.利用能量原理和Galerkin法得到四边简支功能梯度材料夹层矩形板的动力学模型.运用Bolotin法求得了...