功能梯度圆板的轴对称自由振动

基于三维弹性理论,用直接位移法求解了横观各向同性功能梯度圆板的轴对称自由振动,其材料特性沿板厚度方向按指数形式变化,在弹性简支和刚性滑动两种边界条件下得到了三维精确解,即它逐点满足基本方程和边界条件,最后给出了数值算例并与以前的工作进行了对比.该方法也可推广应用于材料特性沿板厚度任意变化情形.     

等几何分析的多重网格共轭梯度法

提高NURBS基函数阶数可以提高等几何分析的精度,同时也会降低多重网格迭代收敛速度.将共轭梯度法与多重网格方法相结合,提出了一种提高收敛速度的方法,该方法用共轭梯度法作为基础迭代算法,用多重网格进行预处理.对Poisson(泊松)方程分别用多重网格方法和多重网格共轭梯度法进行了求解,计算结果表明:等几何分析中采用高阶NURBS基函数处理三维问题时,多重网格共轭梯度法比多重网格法的收敛速度更快.     

基于FETI的非协调等几何分析

基于非均匀有理B样条的等几何分析方法是一种无需网格划分的新的计算方法,旨在实现直接利用CAD模型进行分析,有望取代目前传统有限元技术．等几何分析已被成功应用在固体力学,流固耦合及拓扑优化等诸多领域．等几何分析方法要求CAD曲面或者实体高阶连续,而绝大多数CAD模型内多个曲面不但无法保持高阶连续,而且在公共界面处是几何非协调的．这一缺陷严重制约了等几何分析技术的进一步发展和应用．另外,由于采用高阶单元,等几何分析计算量较等自由度传统有限元要耗时．为解决这些难题,笔者在先前工作基础之上,提出了基于FETI方法的非协调等几何分析．新方法较以往的零空间解法更加快捷,适用于大规模数据的并行计算．数值算例表明本方法无需修改CAD模型,实施简单,精度满足要求,可处理复杂CAD模型．     

任意梯度分布功能梯度圆环的热弹性分析

对沿径向任意变化的材料参数的功能梯度圆环进行了热弹性分析.与以前关于该问题的分析不同,既不需要预先给定具体的梯度变化形式,也不需要对结构进行细分.给出一种新的有效解法将问题转换为求解Fredholm积分方程,从而通过Fredholm积分方程的解给出热应力和位移的分布情况.最后通过算例分析了内外表面受不同温度作用时,材料参数呈现梯度变化对圆环的应力和位移变化的影响,计算结果表明某些特定的材料梯度可有效缓解圆环内的热应力分布.该文得到的结果对功能梯度圆环在结构安全设计方面有重要的理论指导意义.     

在探究中培养学生几何直观能力——以“全等三角形”教学为例

几何直观能力主要是指通过图形来描述问题并进行分析的能力.对学生几何直观能力的培养,不仅可以帮助学生更加直观地理解数学,同时,更有利于提高学生的创新意识,培养学生的发散性思维,这在整个数学教学学习过程中都非常重要.基于此,以“全等三角形”这一课时的教学为例对如何在探究中培养学生的几何直观能力进行了分析.     

功能梯度板柱面弯曲的弹性力学解

利用推广后的Main和Spencer功能梯度板理论,研究了功能梯度矩形板在均布荷载作用下的柱面弯曲问题.采用该理论中的位移展开公式,并且材料参数沿板厚方向可以任意连续变化,但将材料由各向同性推广到正交各向异性,以及由不考虑板的横向荷载作用发展到受横向均布荷载作用.假设板在y方向无限长,从而得到了一个从弹性力学理论出发的正交各向异性功能梯度板在横向均布荷载作用下柱面弯曲问题的板理论.通过算例分析,讨论了边界条件和梯度变化程度对功能梯度板静力响应的影响.     

功能梯度板的柱面弯曲弹性力学解

在推广后的England-Spencer功能梯度板理论基础上,研究了功能梯度板在不同荷载作用下的柱面弯曲问题.采用该理论中的位移展开公式,并且材料参数沿板厚方向可以任意连续变化,并将材料由各向同性推广到正交各向异性.假设板在y方向无限长,最终建立了一个从弹性力学理论出发的正交各向异性功能梯度板在横向分布荷载作用下柱面弯曲问题的板理论.通过算例分析,讨论了边界条件、材料梯度及板厚跨比等因素对功能梯度板静力响应的影响.     

复杂形状及开孔功能梯度板的三维分析

推导出适应功能梯度材料构件分析的半解析梯度有限元法基本算式,并针对功能梯度构件的材料参数随空间坐标变化的特点,将材料参数纳入到力学方程中进行整体积分计算,从而分析不同情况功能梯度板件问题.该法适应性强而又简洁高效,采用一维离散,给出三维分析结果,是一种解决功能梯度构件力学分析的有效数值方法.用提出的方法分析几种具有复杂形状及开孔的功能梯度板,给出了板件的力学量三维分布形态.     

热环境中粘贴压电层功能梯度材料梁的自由振动

研究了上下表面粘贴压电层的功能梯度材料Euler-Bernoulli梁在升温及电场作用下的屈曲和自由振动行为.在精确考虑轴线伸长基础上,建立了压电功能梯度材料层合梁在热-电-机载荷作用下的几何非线性动力学控制方程.其中,假设功能梯度材料性质沿厚度方向按照幂函数连续变化,上下压电层为各向同性均匀材料.在小振幅和谐振动假设下,上述非线性偏微分方程组被转化为两套相互耦合的常微分方程组,即过屈曲问题的控制方程和过屈曲构形附近的线性振动控制方程.采用打靶法数值求解上述两个耦合的常微分方程边值问题,获得了在均匀电场和横向非均匀升温场作用下两端固定压电.功能梯度材料层合梁在屈曲前和过屈曲构型附近的自由振动响应.绘出了梁的过屈曲平衡路径以及前3阶固有频率随热、电载荷及材料梯度参数变化的特性曲线.结果表明,梁的前3阶频率在屈曲前随着温度升高而减小,在进入过屈曲后它们却随着温度升高而增加.通过施加电压在压电层产生拉应力可有效地提高粱的热屈曲临界载荷,从而提高其固有频率.     

基于非局部应变梯度理论功能梯度纳米板的弯曲和屈曲研究

以纳米机器人等智能器件中的功能梯度纳米板结构为研究对象,基于非局部应变梯度理论,研究了其弯曲和屈曲问题.推导了一般情况下的功能梯度纳米板运动方程,弯曲和屈曲作为其特例可简化而成.分析了非局部尺度参数、材料特征尺度参数、梯度指数、纳米板尺寸等对弯曲挠度和临界屈曲载荷的影响.结果表明:不同高阶连续介质力学理论下的最大挠度都随梯度指数的增大而增大,正方形纳米板挠度较小,且板厚越大,弯曲挠度越小;最大挠度随非局部尺度参数的增大而增大,随材料特征尺度参数的增大而减小.临界屈曲载荷随梯度指数的增大而减小,随板厚、长宽比的增大而增大,随非局部尺度的增大而减小,随材料特征尺度的增大而增大.非局部应变梯度高阶弯曲和屈曲中存在结构软化与硬化机制,两个内特征参数之间具有耦合效应,当非局部尺度大于材料特征尺度时,非局部效应在功能梯度纳米板力学性能中占主导作用;当材料特征尺度大于非局部尺度时,应变梯度效应占主导作用.解析结果还证明了当非局部尺度等于材料特征尺度时,非局部应变梯度理论结果退化为经典结果.     

应用4变量精确平板理论分析FG复合板的自由振动

应用4变量的精确平板理论,对矩形功能梯度材料(FGM)复合板进行自由振动分析.与其它的理论不同,该理论的未知函数数量只有4个,而别的剪变形理论的未知函数为5个.提出的4变量精确平板理论,协调条件有了改变,与经典的薄板理论相比,许多方面有着惊人的相似,无需引入剪切修正因数——当横向剪应力越过板厚后,为了满足剪应力自由表面条件,出现抛物线状的改变,导致横向剪应力的变化.考虑了两种常见类型的FGM复合板,即,FGM表面层和各向同性夹芯层的复合板,以及各向同性表面层和FGM夹芯层的复合板.通过Hamilton原理,得到了FGM复合板的运动方程.得到闭式的Navier解,然后求解特征值问题,得到自由振动的基本频率.将该理论得到的结果,与经典理论,一阶的及其它更高阶的理论所得到的结果进行比较,检验了该理论的有效性.研究发现,该理论在求解FGM复合板自由振动性能方面,既精确又简单.     

具有功能梯度加强环的有限尺寸开孔板应力集中问题

基于复变函数理论,结合最小二乘边界配点法,对具有功能梯度加强环的有限尺寸开孔板在任意均布载荷作用下的应力集中问题进行了研究.首先,采用分层均匀化方法,给出了材料参数沿径向任意变化的功能梯度加强环内的复势及孔边应力的半解析解;然后,通过几组数值算例,讨论了组分梯度、加强环厚度、板相对尺寸及偏心率的变化对孔边应力集中的影响.结果表明,通过合理选择功能梯度加强环内材料参数的递变规律及加强环的厚度,可以有效缓解有限尺寸开孔板内的应力集中.     

功能梯度材料杆的热后屈曲分析

对两端不可移简支陶瓷-金属功能梯度材料(FGM)杆建立了在热载荷作用下的非线性控制微分方程,采用打靶法分析了由二氧化锆和Ti-6Al-4V两种材料组成的FGM杆的热后屈曲行为．首先给出了在均匀温度场中不同梯度指标的FGM杆的热后屈曲平衡路径,并与二氧化锆和Ti-6Al-4V两种均质材料杆的相应特性进行了比较,同时讨论了不同端部转角下梯度指标对FGM杆稳定性的影响;然后分别研究了在温差一定、下表面温度变化时和在下表面温度一定、温差变化时FGM杆的热后屈曲特性,也与两种均质材料杆的后屈曲特性进行了比较．     

等腰三角形Mindlin板的自由振动分析

提出了一种新方法来对基于 Mindlin剪切变形理论的等腰三角形板进行自由振动分析 .此方法采用了一种新的基函数并利用 pb-2 Rayleigh-Ritz边界函数得到了一种新型的 Ritz方法 .这种方法的有效性通过收敛性和对比性分析得到了证实 .数值结果表明此方法相当精确有效 .     

Effects of Cone Angles on Nonlinear Vibration Responses of Functionally Graded Shells北大核心CSCD

The nonlinear vibration responses of functionally graded materials (FGMs) shells with different cone angles under external loads were studied. Firstly, the Voigt model was employed to describe the physical properties along the thickness direction of FGMs conical shells. Then, the motion equations were derived based on the 1st-order shear deformation theory, the von Kármán geometric nonlinearity and Hamilton’s principle. Next, the Galerkin method was applied to discretize the motion equations and the governing equations were simplified into a 1DOF nonlinear vibration differential equation under Volmir’s assumption. Finally, the nonlinear motion equations were solved with the harmonic balance method and the Runge-Kutta method, and the amplitude frequency response characteristic curves of the FGMs conical shells were obtained. The effects of different material distribution functions and different ceramic volume fraction exponents on the amplitude frequency response curves of conical shells were discussed. The bifurcation diagrams of conical shells with different cone angles, as well as time process diagrams and phase diagrams for different excitation amplitudes, were described. The motion characteristics were characterized by Poincaré maps. The results show that, the FGMs conical shells present the nonlinear characteristics of hardening springs. The chaotic motions of the FGMs conical shells are restrained and not prone to motion instability with the increase of the cone angle. The FGMs conical shell present a process from the periodic motion to the multi-periodic motion and then to chaos with the increase of the excitation amplitude. © 2022 Editorial Office of Applied Mathematics and Mechanics. All rights reserved.     

功能梯度材料Timoshenko梁的热过屈曲分析

研究了功能梯度材料Timoshenko梁在横向非均匀升温下的热过屈曲．在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上,建立了功能梯度Timoshenko梁在热-机械载荷作用下的几何非线性控制方程,将问题归结为含有7个基本未知函数的非线性常微分方程边值问题A·D2其中,假设功能梯度梁的材料性质为沿厚度方向按照幂函数连续变化的形式．然后采用打靶法数值求解所得强非线性边值问题,获得了横向非均匀升温场内两端固定Timoshenko梁的静态非线性热屈曲和热过屈曲数值解．绘出了梁的变形随温度载荷及材料梯度参数变化的特性曲线,分析和讨论了温度载荷及材料的梯度性质参数对梁变形的影响．结果表明,由于材料在横向的非均匀性,均匀升温时的梁中存在拉-弯耦合变形．     

旋转功能梯度圆柱壳的固有频率计算

Love的一阶理论被用来计算旋转功能梯度圆柱壳的固有频率, 为了验证该方法的有效性,计算了简支不旋转各向同性和功能梯度圆柱壳的固有频率,计算结果与相关文献中的结果具有较好的一致性．通过几个数值算例,研究了幂指数、x和θ方向的波数、厚度-半径比对简支旋转功能梯度圆柱壳固有频率的影响．结果表明:后向波的固有频率随着转速的增加而增加,前向波的固有频率随着转速的增加而减小,前向波和后向波的固有频率随着厚度-半径比增加而增加．     

正交各向异性功能梯度层合板稳态热传导问题的精确解

对轴对称正交各向异性功能梯度层合圆板稳态热传导问题进行精确分析.假设材料热传导率沿板厚方向按指数函数形式梯度分布,从正交各向异性功能梯度圆板稳态热传导的基本方程出发,利用分离变量法,获得了在上、下表面作用任意热分布情况下的精确解.通过数值算例的分析,指出材料性质的梯度变化、板厚边界条件等分析了对温度场分布的影响.所获得的精确结果,可以作为评价其它近似方法的标准解答.     

条状功能梯度材料中偏心裂纹对反平面简谐波的散射问题

利用Schmidt方法研究了条状功能梯度材料中偏心裂纹对反平面简谐波的散射问题,裂纹垂直于条状功能梯度材料的边界．通过Fourier变换,问题可以转换为对一对未知变量是裂纹表面位移差的对偶积分方程求解．为了求解对偶积分方程,把裂纹表面的位移差展开为Jacobi多项式级数形式,进而得到了功能梯度参数、裂纹位置以及入射波频率对应力强度因子影响的规律．     

Elastic Analysis of Anisotropic Functionally Graded Rotating Disks With Non-Uniform Thicknesses北大核心CSCD

研究了任意梯度变化的变厚度各向异性转动圆盘的弹性问题.假设圆盘绕刚性轴匀速转动,其材料性能和厚度沿径向任意梯度变化.考虑圆盘在中心转轴处受位移约束,外侧自由,根据各向异性转动圆盘的平衡微分方程,得到关于径向应力的Fredholm积分方程,继而通过对Fredholm积分方程进行数值求解,得到结构的位移场和应力场.对具体梯度变化情况仅需代入相应梯度变化进行求解即可.数值算例部分,通过假设厚度、弹性模量等参数为特殊的幂函数形式,将由Fredholm积分方程求出的数值解与对应的精确解进行对比,以及针对常见的Voigt模型,将由该方法算得的数值解和ANSYS有限元计算结果进行对比,验证了该方法的准确性和精度.其次,针对Voigt模型,重点分析了厚度变化、材料性能梯度参数、各向异性度等对应力场和位移场的影响.提出了针对材料性能和厚度沿径向呈任意梯度变化的圆盘结构弹性分析方法,将为优化功能梯度圆盘的结构和材料参数、有效调整构件应力分布、提高结构安全性,提供强有力的工具;算例分析结果对功能梯度圆盘在复杂条件下的结构安全设计有重要的理论指导意义.