含孔功能梯度压电材料板的力电耦合无网格伽辽金法

为提高含孔功能梯度压电材料板的计算精度,基于变分原理和功能梯度压电材料的本构关系、几何关系、边界条件等,推导出功能梯度压电材料的无网格方程,提出含孔功能梯度压电材料板的力电耦合无网格伽辽金法。求解含孔功能梯度压电材料板的力学问题,研究孔边环向应力分布及力电集中问题,讨论材料参数按某一方向呈指数函数梯度变化时功能梯度压电材料的力学响应,与ANSYS计算结果进行比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度,可求解任意梯度函数的功能梯度压电材料问题。     

基于分层法功能梯度压电材料单裂纹的受力分析

功能梯度压电材料是材料属性连续变化,各向异性的力电耦合材料。基于功能梯度压电材料的本构关系、几何关系和边界条件,利用软件ABAQUS建立了通用有限元模型。采用分层法进行材料的梯度仿真模拟,求解出含单裂纹的功能梯度压电材料板的断裂力学问题,表明功能梯度压电材料能够缓解材料的应力集中。详细讨论了当功能梯度参数增大时,裂纹周围应力变大;椭圆形裂纹应力集中程度要大于圆形裂纹;裂纹几何尺寸越小,裂纹周围应力越大,结构更加容易破坏。在今后功能梯度材料结构设计中,功能梯度参数不应太大,同时结构中应当避免出现尖锐的拐点或者微裂纹的出现,这对功能梯度压电材料结构设计及其实际应用起到了借鉴作用。     

含裂纹的功能梯度压电压磁条粘结问题的奇异积分方程方法

利用奇异积分方程方法研究了一个含裂纹的功能梯度压电压磁条与半无限大功能梯度压电压磁材料粘结在非渗透边界条件下的Ⅲ型裂纹问题.首先通过积分变换得到问题的形式解,然后利用边界条件通过积分变换与留数定理得到了一组奇异积分方程,最后用Gauss-Chebyshev方法进行数值求解,讨论了材料参数、材料非均匀参数以及裂纹几何形状等对裂纹尖端应力强度因子的影响.结果表明,压电压磁复合材料中反平面问题的应力奇异形式与一般弹性材料中反平面问题的应力奇异形式相同,但材料梯度参数对功能梯度压电压磁复合材料中的应力强度因子和电位移强度因子有很大影响.     

压电功能梯度材料细观结构参数对材料性能的影响

基于压电功能梯度材料物性参数沿厚度为幂函数变化的梯度模型, 引入反映设计与实现间误差的修正因子, 分析中采用含压电耦合项的修正层合理论, 将压电功能梯度板分为厚度足够小的若干薄层, 从而可近似地认为每层的材料特性为均匀的. 仅考虑电场作用, 对四边简支的压电功能梯度矩形板的位移和应力场做了解析分析. 在此基础上分析了材料组分分布、 每一层的厚度和层数等材料细观结构参数对材料性能的影响. 结果表明, 在一定区域, 细观结构参数对材料性能有重要影响. 当超出某一范围后, 细观结构参数的变化对材料性能影响甚微.     

四边简支压电功能梯度矩形薄板的屈曲

基于经典板理论, 假设材料的电弹参数为板厚方向坐标的幂函数, 采用含压电耦合项的修正层合理论, 推导了压电功能梯度薄板在电载荷作用下的屈曲方程, 并利用Navier解, 得到四边简支矩形薄板在均匀电场下的屈曲临界电压. 在此基础上, 讨论了板的几何尺寸、 材料梯度指数的变化和中面变形等因素对临界电压（电载荷）的影响. 结果表明, 压电材料的梯度化对其稳定性产生较大的影响.     

非均匀电场下功能梯度压电材料板的振动主动控制

针对传统分层压电构件在连接处较容易破坏的问题,使用功能梯度压电材料板中压电材料组分来实现结构的振动主动控制。提出了一个改进的功能梯度材料特性分布方程,该方程由两个参数独立地控制压电材料总体积分数和沿厚度方向的材料梯度分布形式。基于材料特性在横向的梯度变化,推导了非均匀电场下机电耦合系统的运动方程。在振动控制中,使用速度反馈控制方法获得了有效的主动阻尼。在此基础上,研究了压电材料分布类型、梯度分布指数和压电材料总体积分数对功能梯度压电材料板振动控制的影响。结果表明,功能梯度压电材料板中压电材料分布对振动控制效果有较大影响;通过优化功能梯度压电材料板控制电压的施加位置,可以获得良好的振动抑制效果。     

功能梯度压电板条中的电渗透型运动裂纹

基于三维弹性理论和压电理论 ,研究了功能梯度压电板条中的电渗透型运动裂纹问题 .利用Fourier积分变换方法 ,将混合边值问题化为对偶积分方程 ,并进一步归结为易于数值求解的第二类Fredholm积分方程 .通过渐近分析 ,获得裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解 ,给出裂纹尖端场各个变量的角分布函数 ,并求得裂纹尖端场的强度因子 .结果表明 ,对于电渗透型裂纹 ,功能梯度压电板条中运动裂纹尖端附近的各个场变量都具有 - 1/ 2阶的奇异性 ,而且与固定于裂纹尖端的运动坐标有关 ;当裂纹运动速度增大时 ,裂纹扩展的方向会偏离裂纹面 .     

功能梯度材料板断裂分析

为深入理解功能梯度材料的断裂行为,研究了机械载荷下任意机械属性功能梯度材料板裂纹尖端特性,根据叠加方法,把应力场转化为裂纹表面载荷,采用基于非均匀单元的有限元方法计算并分析了机械载荷下功能梯度板裂纹尖端特性,针对含有中心裂纹功能梯度材料板,考察了应力强度因子的变化规律.研究结果表明,功能梯度材料结构的几何参数及材料属性对裂纹尖端无量纲应力强度因子的变化规律具有显著影响.     

压电板条中的平面裂纹问题

基于线性压电理论，采用电绝缘边界条件，对压电板条中的张开型(Ⅰ型)裂纹问题进行了求解．利用Fourier变换将裂纹面的混合边值问题化为对偶积分方程，并进一步归结为易于求解的第二类Fredholm积分方程组．求得了裂纹尖端场的强度因子，分析了材料常数和几何尺寸对应力强度因子的影响．结果表明，可以通过适当调整材料和几何参数来减小应力强度因子的幅值。     

均布电势作用下横观各向同性功能梯度压电圆板的三维解析解

提出用直接位移法研究了横观各向同性功能梯度压电圆板在表面受均匀电势作用下的响应．由平衡方程和圆板上下表面的边界条件导出位移函数所满足的微分方程组及其边界条件．求解微分方程组给出位移函数的显示表达式,其中所含的4个积分常数可利用圆板周边边界条件确定,从而得到自由和简支功能梯度圆板受均布电势作用下的三维压电弹性力学解析解,并可退化得到均匀圆板的压电弹性力学解．如果能量正定条件和一定的可积条件得到满足,则圆板的弹性系数,压电系数和介电系数可随厚度方向的坐标作任意变化．最后给出了算例以说明材料的非均匀性对圆板弹性场和电场的影响．     

压电梯度材料薄板中切口端部场的有限元分析

研究了力电耦合载荷作用下，压电梯度材料双边切口薄板中切口前缘应力场的分布及其应力集中效应，重点讨论了外加电场、切口张开角、切口深度以及材料梯度分布特性的变化对切口前缘应力场的影响，计算结果表明：在不同的外加电场作用下，切口张开角度、切口深度和材料的梯度变化等对切口尖端应力集中因子、切口前缘的应力分布都有一定的影响，所得结果对压电梯度材料的抗疲劳断裂设计有参考价值。     

基于非均匀光滑有限元法的功能梯度压电梁自由振动分析

为了提高求解功能梯度压电材料动响应的精度,克服有限元系统刚度偏硬的缺点,提出非均匀Cell-based光滑有限元法。基于单元的梯度光滑操作,考虑材料物性沿宽度方向呈梯度连续变化,推导非均匀Cell-based光滑有限元法的基本公式,分析功能梯度压电悬臂梁的材料物性参数遵循不同梯度分布规律时结构自由振动的固有频率与振型,并与FEM求解结果进行对比。研究结果表明:光滑梯度操作可降低有限元系统的刚度,非均匀Cell-based光滑有限元法的数值解更加接近真实解,从而可为功能梯度压电材料的进一步应用提供参考。     

含币形裂纹功能梯度材料的轴对称接触问题

目的:研究含币形裂纹功能梯度材料的轴对称接触问题。方法:对功能梯度材料进行分层,通过Hankel变换及其逆变换求得各子层及均匀半空间的位移和应力分量,并将所研究问题转化为带Cauchy核的奇异积分方程。结果:求解方程可得裂纹尖端应力强度因子,并讨论裂纹位于涂层中间时,梯度涂层的分层数、涂层和裂纹面上剪切模量比值对应力强度因子的影响。结论:数值算例显示:梯度涂层剪切模量按指数形式变化时将梯度涂层分8层就可保证精度;可调节裂纹面附近材料剪切模量实现材料的抗断能力。     

含裂纹功能梯度板能量释放率的ABAQUS用户子程序开发

为求解含裂纹功能梯度板的动态能量释放率,提出了基于非均匀有限元法的虚拟裂纹闭合法.基于有限元软件ABAQUS平台,开发了动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元,编写了用户自定义子程序UMAT和UEL,求解了动态载荷作用下的含裂纹功能梯度板能量释放率分量.对不同形状因子下的中心和倾斜裂纹功能梯度板的动态能量释放率分量进行了求解,并转化为动态应力强度因子,与差分法作比较.数值算例结果表明,动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元具有精度高、简捷方便、裂尖无需使用奇异元或特殊单元和子程序通用性强等优点,为工程师求解动态断裂参数提供了新途径.     

横观各向同性双压电板Ⅲ型界面裂纹力学分析

研究含界面裂纹的横观各向同性双压电材料板在反平面剪切载荷和平面内电位移共同作用下的裂纹尖端场问题。利用复变函数方法,引入含待定实系数的应力函数,借助边界条件和待定系数法,建立非齐次线性方程组。求解得到满足控制方程和边界条件的应力函数,推导得到双压电材料板Ⅲ型界面裂纹尖端的应力场、电位移场和应力强度因子、电位移强度因子的表达式。     

基于分层线性离散模型的FGM板断裂力学分析

为对功能梯度材料(FGM)板进行断裂力学分析,提出了施加温度场建立FGM板分层线性离散模型的方法.采用该方法、梯度有限元法和常规有限元法对FGM板的应力场和位移场进行对比分析,结果表明该方法简便可行.在所提方法的基础上,采用扩展有限元法求解含裂纹FGM板的位移场,再利用位移外推法计算裂纹尖端的应力强度因子,通过上述方法对不同材料梯度参数、裂纹尺寸、裂纹倾斜角的FGM板裂纹尖端应力强度因子进行数值模拟.计算结果表明,合理地选择FGM板的梯度参数并控制裂纹尺寸能有效降低裂纹尖端应力强度因子.所提出的方法可推广应用于材料梯度分布为任意连续变化的FGM板断裂力学分析.     

两个功能梯度压电压磁条粘结的Ⅲ型问题

利用奇异积分方程法研究两个功能梯度压电压磁条粘结在渗透和非渗透边界情况下的Ⅲ型裂纹问题.首先通过积分变换得到问题的形式解,然后利用边界条件通过积分变换与留数定理得到了一组奇异积分方程,最后利用Gauss-Chebyshev方法进行数值求解,讨论了材料参数、非均匀参数以及裂纹几何形状等对裂纹尖端应力强度因子的影响.从结果可以看出,压电压磁复合材料中反平面问题的应力奇异形式与一般弹性材料中的反平面问题应力奇异形式相同.     

功能梯度压电矩形板热机电耦合三维分析

文章对于四边简支功能梯度压电材料矩形板进行热机电耦合三维分析.直接从横观各项同性的压电材料的基本方程出发,通过引入2个位移函数和应力函数,导出了1个二阶的齐次状态方程和六阶的非其次状态方程;分析中采用层合近似模型,并且给出了任意厚度的四边简支横观各项同性功能梯度矩形板,在热-机-电械耦合作用下的分析结果.     

无限大压电板广义热冲击的二维问题

应用具有一个热松弛时间的L-S广义压电热弹性理论,利用混合拉普拉斯变换和有限元方法,研究了无限大厚压电板受到热冲击时的压电热弹耦合的二维问题.建立了广义压电热弹性耦合问题的变分原理,推导了相应的有限元方程,借助拉普拉斯变换,求解有限元方程,得到温度、位移及电势在变换域中的解,利用拉普拉斯数值反变换,得到了温度、位移及电势的分布,并用图形反映了其分布规律.结果表明,热以有限的速度在压电板中进行传播,同时压电板中呈现出压电热弹的耦合效应.     

功能梯度压电带粘接功能梯度压电材料裂纹问题

研究一功能梯度压电带粘接到一不同的功能梯度压电材料上的反平面裂纹问题.假设功能梯度压电带包含一裂纹垂直于界面,其材料性质沿着裂纹方向变化.分别考虑不可渗透型裂纹边界条件和可渗透型裂纹边界条件,运用Fourier变换-奇异积分方程方法对问题进行了求解.数值结果以图表的形式显示裂纹几何性、非均匀材料参数β和γ对应力和电位移强度因子以及能量释放率的影响.