功能梯度简支矩形板的非线性动力响应

研究了功能梯度简支矩形板在横向简谐激励作用下的非线性动力响应问题.采用幂律分布规律描述功能梯度材料的等效材料参数,基于Galerkin法建立了系统广义坐标的常微分控制方程.利用平均法得到了系统的幅频响应特性,分析了功能梯度矩形薄板的非线性主共振特性.数值算例验证了平均化方法的正确性,揭示了功能梯度平板主共振响应中的多值性和跳跃现象;同时分析发现初始条件会改变功能梯度平板主共振的响应幅值.最后讨论了功能梯度材料的梯度指数对系统幅值响应的影响.     

功能梯度板的非线性动力分析

非线性材料功能梯度板件的动力分析是属于在数学方程上同时具有变系数、非线性、非定常特征的固体力学问题.文中首先将问题的变系数非线性偏微分方程组转化为各向异性常系数非线性常微分方程,然后用小参数法求得解析解,适用于各种形状、边界及功能梯度分布的板件非线性弹性振动分析.     

功能梯度矩形板的三维弹性分析

将功能梯度三维矩形板的位移变量按双三角级数展开，以弹性力学的平衡方程为基础．导出位移形式的平衡方程。引入状态空间方法，以三个位移分量及位移分量的一阶导数为状态变量，建立状态方程。考虑四边简支的边界条件，由状态方程得到了功能梯度三维矩形板的静力弯曲问题和自由振动问题的精确解。由给出的均匀矩形板自由振动问题的计算结果表明．与已有的理论解以及有限元方法的计算结果相吻合。假设功能梯度三维矩形板的材料常数沿板的厚度方向按照指数函数的规律变化．进一步给出了功能梯度三维矩形板的自由振动问题和静力弯曲问题的算例分析，并讨论了材料性质的梯度变化对板的动力响应和静力响应的影响。     

功能梯度板弯曲和自由振动分析的简单精化板理论

论文提出了一种可用于分析功能梯度板弯曲和自由振动行为的简单精化板理论.该理论分析功能梯度板的弯曲时只需三个未知量,而分析功能梯度板的自由振动时只需一个未知量.与包含三个未知量的经典板理论相比,论文提出的简单精化板理论考虑了横向剪切效应,提高了计算准确度.与一阶剪切变形板理论不同,该简单精化板理论引入了多项式型剪切应变函数,满足板上下表面剪切应力为零的边界条件,因此不需要剪切修正.通过与已有文献的比较,验证了该简单精化板理论的准确性和便捷性,并基于该简单精化板理论研究了功能梯度板的弯曲和自由振动力学行为.     

基于边光滑有限元法的加筋板静力和自由振动分析

运用边光滑有限元法,研究分析了加筋板结构的静力和自由振动问题。在边光滑有限元法中,将基于边的应变光滑技术用于对原来的应变场进行光滑操作;由于应变光滑技术能够适当地软化原来过刚的有限元模型,从而能够得到更加接近于系统准确刚度的光滑有限元模型;鉴于三角形单元良好的适用性,选用三角形单元对模型进行网格划分;同时,为了解决低阶Reissner-Mindlin板单元弯曲过程中的横向剪切自锁问题,采用了一种新型的离散剪切间隙技术。算例的数值计算结果表明,与传统的有限元法相比,边光滑有限元法能够得到精度更高的计算结果,且收敛更快,计算效率更佳。     

黏弹性地基上功能梯度材料板的振动分析

为研究黏弹性地基上功能梯度材料板的自由和强迫振动特性,基于Reddy高阶剪切变形理论以及由Shen导得的广义Karman型方程,用双重Fourier级数法推导了三参数黏弹性地基上四边简支功能梯度材料板自由振动和动力响应的解析解,计算了各模态自振频率和半波冲击载荷作用下的动力响应,讨论了材料组分指数、黏弹性地基参数、边厚比等因素对自由振动和动力响应的影响.结果表明,黏弹性地基的剪切和压缩刚度显著提升了功能梯度材料板的振动频率,减小了动力响应;另外,地基的黏性对振动频率和动力响应也有一定的影响.     

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。     

弹性地基加肋功能梯度板自由振动分析的无网格法

基于一阶剪切变形理论和移动最小二乘近似研究Winkler弹性地基上加肋功能梯度板的固有频率。假设功能梯度板的材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化,基于物理中面和移动最小二乘近似分别推导功能梯度板和肋条的动能和势能,再通过引入位移协调条件,建立板和肋条节点参数转换关系,叠加两者的总能量,然后利用Hamilton原理推导加肋功能梯度板自由振动控制方程。采用完全转换法施加边界条件。通过将本文的计算结果与有限元以及文献的结果对比,验证方法的收敛性以及准确性。     

功能梯度矩形板的非线性自由振动

研究了功能梯度矩形薄板的非线性自由振动问题.采用幂律分布规律描述功能梯度材料沿厚度的梯度性质,基于von Kámán理论,建立了功能梯度薄板的非线性振动控制方程.应用Bubnov-Galerkin法得到了功能梯度矩形薄板的单模态非线性振动的时域常微分方程,借助其势能函数分析了系统的周期振动状态.采用Lindstedt-Poincaré法和Runge-Kutta法分别获得了功能梯度矩形薄板单模态非线性周期振动的摄动解和数值解.研究表明:功能梯度薄板非线性振动控制方程中包含表征拉弯耦合效应的控制项,这导致其常微分方程中出现二次项;系统振幅在板横向的正负两个方向上是不相等的,其振动存在关于板中面的不对称性.     

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．     

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。     

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．     

基于物理中面FGM中厚板自由振动的有限元分析

基于物理中面和一阶剪切变形板理论,研究了不同边界条件下功能梯度材料(FGM)中厚板的自由振动问题．假设功能梯度板的材料性质沿厚度方向按幂函数规律连续变化．根据哈密顿原理建立了FGM板有限元形式的自由振动方程,利用MATLAB软件编写程序进行了计算．通过数值算例,讨论了不同边界条件下FGM中厚板的无量纲频率随材料梯度指数和厚宽比的变化情况,并与经典板理论下的频率进行了比较．     

正交各向异性功能梯度圆柱壳的自由振动

利用从弹性力学的三维基本方程导得的状态方程，结合层合近似模型，求得了柱型正交各向异性功能梯度圆柱壳的自由振动频率，给出了数值算例，并与前人结果作了比较，文末讨论了相关参数的影响。     

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。     

混合微分求积法在功能梯度材料平板柱形弯曲问题中的应用

利用混合微分求积法,对任意荷载作用下不同材料梯度分布的功能梯度材料平板柱形弯曲问题进行了分析。针对广义微分求积法求解集中荷载问题精度不高的缺点,本文利用小波微分求积法进行了改进。由于小波对突变信号具有良好的自适应描述能力,因此在平板宽度方向上,利用小波微分求积法可以有效地处理集中荷载;而在材料梯度变化的板厚方向上,则利用广义微分求积法计算量小且精度高的特点进行离散计算。计算表明,混合微分求积法不仅保留了广义微分求积法高效的特点,而且能有效地求解任意荷载作用的问题。通过算例,分析了在机械荷载作用下,材料不同梯度形式、平板上下表面材料性质差异对功能梯度平板结构响应的影响。     

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。     

功能梯度材料开裂三点弯曲试件的裂纹端应力强度因子

本文利用能量释放率法计算功能梯度材料开裂三点弯曲试件的裂纹端应力强度因子。在给定力作用下算出裂纹长度为“a”和“a △a”时的二组解，解中包括集中力作用处的位移。从二组解中的相应位移改变值便可以决定出能量释放率。再从能量释放率可以算出裂纹端应力强度因子。本文用有限元方法计算开裂三点弯曲试件的位移。正因为利用了能量释放率法，即利用一种间接法来求裂纹端应力强度因子，从而可用常规有限元来解决问题。