圆形脱层的轴对称屈曲及扩展分析

利用高阶摄动结合打靶法，分析了固支圆板在均匀径向力作用下的轴对称屈曲和过屈曲，所得结果与文（６）的ＦＥＭ结构吻合得很好，应用于薄膜－基底结构，研究了受压薄膜脱层的屈曲、扩展问题，得到了在一定的残余压应力作用下，脱层屈曲的临界尺寸Ｒｃ和扩展尺寸Ｒｇ。     

基于不同板理论的嵌于柔性层中薄膜的皱曲分析

论文对于柔性层-薄膜-柔性层三层结构系统,基于经典板理论、一阶剪切变形理论和高阶剪切变形理论,分别推导给出薄膜皱曲的控制方程.对于两个柔性层,则把它们处理成具有有限厚度的平面应变弹性体.针对上下柔性层固支边界或自由边界条件,利用线性扰动方法得到柔性层对薄膜的横向压力差,最终获得确定薄膜具有周期性正弦型皱曲的临界载荷方程...     

双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析

硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明：减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。     

形状记忆聚合物表面弹性薄膜的屈曲研究

形状记忆聚合物具有形状变化后在特定条件下可恢复的特点,因此作为一种柔性基底材料在柔性电子中得到广泛应用。对于形状记忆聚合物基底和弹性薄膜组成的双层结构,当基底收缩时,其表面的弹性薄膜可以形成屈曲波形。针对基底收缩过程中波形的变化,本文实验测得形状记忆聚合物材料在不同温度下的属性,结合一维应变恢复函数,利用柔性基底表面薄膜屈曲波形参数(波幅、波长等)表达式,求解得到了在基底收缩的过程中,弹性薄膜屈曲波形的变化规律,和实验结果吻合很好。     

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形状记忆聚合物具有形状变化后在特定条件下可恢复的特点,因此作为一种柔性基底材料在柔性电子中得到广泛应用。对于形状记忆聚合物基底和弹性薄膜组成的双层结构,当 基底收缩时,其表面的弹性薄膜可以形成屈曲波形。针对基底收缩过程中波形的变化, 本文实验测得形状记忆聚合物材料在不同温度下的 属性,结合一维应变恢复函数,利用柔性基底表面薄膜屈曲波形参数(波幅、波长等)表达式,求解得到了在基底收缩的过程中,弹性薄膜屈曲波形的变化规律,和实验结果吻合很好。     

纳米薄膜屈曲模式的实验研究

薄膜/基底系统在信息科学以及微电子机械系统中有着十分重要的地位.薄膜中常会有压或拉的残余应力,因此薄膜/基底结构通常是工作在残余应力以及外加应力的联合作用下.根据结构的功用不同,其载荷方式也有不同,从而也导致了不同的破坏模式.压缩载荷下的脱粘屈曲是薄膜基底结构主要的破坏形式之一.本文使用磁控溅射镀膜技术,制作了压缩薄膜...     

不规则蜂窝材料在单向荷载作用下的蠕变屈曲分析

采用Norton蠕变理论和自由能守恒原理,分析了垂直与倾斜壁厚不等的非正六边形不规则蜂窝材料在面内单向应力作用下的蠕变屈曲行为,得到了蠕变屈曲临界应力与蠕变屈曲失效时间之间的函数关系.讨论了加载应力、初始缺陷、不规则蜂窝材料孔穴壁的厚度、长度与倾斜壁倾角对蠕变屈曲失效时间的影响.     

热过屈曲功能梯度壁板的气动弹性颤振

功能梯度材料的宏观物理性能随空间位置连续变化,能充分减少不同组份材料结合部位界面性能的不匹配因素.功能梯度壁板用作高速飞行器的热防护结构,能有效消除气动加热带来的壁板内部热应力集中.本文考虑热过屈曲变形引入的结构几何非线性,分析功能梯度壁板的气动弹性颤振边界.基于幂函数材料分布假设,采用混合定律计算功能梯度材料的等效力学性能.根据一阶剪切变形板理论、冯·卡门应变-位移关系和一阶活塞理论,基于虚功原理建立超声速气流中受热功能梯度壁板的非线性气动弹性有限元方程.采用牛顿-拉弗森迭代法数值求解壁板的热屈曲变形,分析超声速气流对热屈曲变形的影响机理.在壁板热过屈曲的静力平衡位置分析动态稳定性,确定了壁板的颤振边界.研究表明,当陶瓷-金属功能梯度壁板的组份材料沿厚度方向梯度分布时,会破坏结构的对称性导致壁板在面内热应力作用下发生指向金属侧的热屈曲变形.超声速气流中壁板热屈曲变形最大的位置随气流速压增大向下游推移,并伴随屈曲变形量的减小.热过屈曲壁板的几何非线性效应会提高壁板的颤振边界,这种影响在高温、低无量纲速压且壁板发生大挠度热屈曲变形时表现显著.较高无量纲气流速压下由于壁板的热屈曲变形被气动力限定在小挠度范围,几何非线性效应不明显.      

应力波传播与屈曲耦合情况下结构动力屈曲控制方程及波前边界条件的探讨

从应力波作用下结构动力屈曲的特点出发,指出应力波作用下结构屈曲与应力波传播的耦合导致时间成为结构屈曲的参变量,从而应力波作用下结构屈曲的真实运动与邻近运动是不同时刻、不同扰动区域的比较,这使得其控制方程的建立不宜采用传统的等时积分变分原理;以压应力波作用下弹性直杆为例,应用能量守恒原理,根据屈曲时刻结构能量的转换关系,建立了其屈曲控制方程,并实际推导得到了波前边界条件为横向位移,转角和曲率为零;其中,波前边界第三个条件出现的原因是轴向应力波的传播与屈曲的耦合.     

受面内双向荷载蜂窝材料的弹性屈曲模式及其影响因素

基于压弯耦合梁柱稳定理论,分析了蜂窝材料在面内双轴应力作用下的弹性屈曲行为,得到了蜂窝材料在不同应力荷载作用下发生两种屈曲模式转换的临界条件和对应的屈曲临界荷载.讨论了孔穴几何参数对此转换条件和临界荷载的影响,并用ANSYS软件进行了有限元模拟.结果表明理论分析与数值模拟吻合很好.     

多层薄膜热应力模拟

针对MEMS器件和光电器件的薄膜结构在高温下产生的应力与应变会严重影响器件结构与功能的问题,本文采用Suhir异质生长薄膜热应力计算理论分析了三层薄膜结构的热应力大小分布情况,得到了不同镀膜温度、膜厚、基底厚度等条件下的热应力变化趋势,解决了困扰有限元分析的奇异点问题。通过分析模型与有限元分析结果的比对,得到该计算模型的应力分布较为符合有限元分析的结果,最大剪切应力差距约为6.1%。列举了一个通过分析关系对材料进行优化的实例。这些研究结果对恶劣工作环境下的MEMS器件以及光电子器件的薄膜设计具有一定的借鉴意义。     

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。     

应力波传播与屈曲耦合情况下结构动力屈曲控制方程探讨

从应力波作用下结构动力屈曲的特点出发,指出应力波作用下结构动力屈曲与结构中应力波传播的耦合导致时间成为结构动力屈曲的参变量,从而应力波作用下结构动力屈曲问题中结构的真实运动与邻近运动是不同时刻、不同扰动区域的比较,这使得其动力屈曲控制方程的建立不宜采用传统的等时积分变分原理;以压应力波作用下弹性直杆为例,应用能量守恒原理,根据屈曲时刻结构能量的转换关系,建立了弹性压应力波作用下半无限长直杆的动力屈曲控制方程,并得到了波前附加约束条件;最后,讨论了波前附加约束条件的物理意义,指出波前附加约束条件出现的根本原因是轴向应力波的传播与屈曲不能解耦。     

形状记忆合金梁纯弯曲的理论分析

基于已有实验得到的形状记忆合金非线性的应力-应变关系,引入拉压不对称系数研究了形状记忆合金纯弯曲梁的力学性能。在平截面假定下,建立了梁在不同弯矩作用下截面应力、相变百分含量、相边界的解析表达式。对两端受弯的简支梁进行数值分析,结果表明:纯弯曲的过程中,平截面假定仍然成立,中性层的移动和表层材料相变状况有关;表层材料发生相变后,中性层偏离截面中心向受压侧移动,直至受压侧表层材料相变完成,完全转变为马氏体相;之后随弯矩的增大,中性层开始反向移动。材料本身的拉压不对称性使得形状记忆合金纯弯曲梁截面应力的分布以及相边界的移动呈现出明显的不对称性。     

应力波在多层膜状材料中衰减特性的实验研究

脉冲载荷作用下,多层膜状材料衰减应力波的特性及其规律研究在工程结构设计中具有重要意义。本文采用分离式Hopkinson压杆(以下简称SHPB)装置,从实验角度对多层石英布和多层"石英布+聚酯铝膜"两种不同结构类型膜状材料衰减应力波特性进行研究。分析了透射应力波及应力冲量随多层膜状厚度变化的关系。通过对实验数据的拟合,给出了多层膜状衰减应力波能力和材料厚度以及材料结构的数学表征。研究结果表明,两种不同结构的多层膜状材料应力波衰减随厚度的变化关系都遵循指数衰减规律,而具有"多层石英布+聚酯铝膜"叠层结构的材料对应力波的衰减能力略强于单一多层石英布材料。本研究可作为工程应用多层膜状材料衰减应力波的实验依据。     

热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究

基于Bernoulli-Euler梁理论,引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性,研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的,利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件,并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明,对称材料模型下,固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征,而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下,固支梁仍显示出分支屈曲行为特征,但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化;而对于两端简支梁,发生了弯曲变形,弯曲挠度随载荷的增大而增大．     

力-热载荷下双金属复合管的屈曲失效研究

采用有限元方法研究了力-热载荷下双金属复合管的屈曲失效行为,通过三维有限元建模考虑了双金属复合管的准静态复合成型制造过程中产生的残余应力,分析了温度及内压两个主要参数对双金属复合管屈曲失效的影响。结果表明,高温导致材料发生软化,抑制了双金属复合管的屈曲;弯矩、内压及热载荷联合作用下,复合管内介质温度降低,复合管弯矩达到最大值对应的曲率减小,而弯曲承载能力增大,外基管的椭圆率也增大;内压变化对复合管的弯曲承载能力和外基管的椭圆率影响较小。     

基于物理中面FGM简支梁的弯曲行为

基于一阶非线性梁理论,利用物理中面概念导出了FGM梁的基本方程,分析了热载荷作用下简支FGM梁的弯曲行为.当坐标面置于功能梯度材料(FGM)梁的物理中面上时,其本构方程中,面内力与弯矩并不耦合,使得问题的控制方程以及边界条件得以简化.分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向、并按成分含量的幂指数形式变化;利用打靶法数值地求解了所得方程.数值结果表明:热载荷作用下,夹紧FGM梁发生过屈曲变形,而简支梁则发生较为复杂的热弯曲变形;在同一热载荷作用下,简支FGM梁将会产生三种构形问题;剪切变形对夹紧FGM梁的热变形影响比简支梁更明显.     

激光辐照下圆柱壳结构的稳定性分析

针对航天工程中常用的承受轴压作用的薄壁圆柱壳,分别采用解析方法与特征值屈曲有限元方法分析了圆柱壳结构在均匀轴压作用下的稳定性能,得到了屈曲承载力.并进行了对比,验证了有限元模型的合理性.采用线性屈曲特征值有限元方法分析了强激光辐照作用下圆柱壳的稳定性能,分析表明激光辐照导致壳体局部温度上升并由此带来材料参数的改变,是因为激光辐照在壳体中引起了热应力与热应变,使轴压圆柱壳的屈曲承载力明显降低.论文还着重对加筋圆柱壳结构的稳定性进行了研究,数值分析结果表明,加筋能有效提高圆柱壳结构的抗压承载力,激光辐照作用下,加筋对轴压作用下圆柱壳的屈曲承载力的提高作用更为明显.     

双材料叠合简支梁受均布载荷作用时的解析解

采用弹性力学的应力函数法,分析了上表面受均布载荷作用的上下层弹性模量和高度不同的双层叠合简支梁,对简支端提出了两种等效边界条件,得到了相应的两种解析解。运用有限元分析软件ANSYS,对不同组合的钢-铝双层叠合简支梁进行了数值计算,并与解析解进行了比较。结果表明:两种等效边界条件仅对弯曲正应力和位移有影响,对挤压应力和切应力没有影响;两种解析解的相对误差在1.2%以内;当跨高比超过6时,最大应力的解析解与有限元解的误差在4.4%以内;上下层对调后,两层中的应力基本不变;当上下层之间有摩擦时,弯曲正应力的外侧值大于内侧值,上、下层的中性层都由相应的几何中面向接触面偏移。