任意梯度分布圆柱壳的周向导波频散分析

利用半解析方法分析了周向导波在任意梯度分布圆柱壳的频散特性.在假设材料参数沿圆柱壳径向按任意梯度变化的基础上,应用带状单元法,将功能梯度壳分成若干子层.对于细分子层可认为其材料参数为常值,并以此构造带状单元,获得导波在圆柱壳中周向传播时的特征值问题,通过求解该特征值问题,得到了导波的频散特性.最后通过算例讨论了材料参数沿径向按余弦函数分布时,不同梯度参数及内外径比对导波频散特性的影响.     

具有任意梯度分布函数的梯度板的三维热弹性

研究任意梯度分布函数的功能梯度板的三维热弹性问题.从正交各项异性功能梯度材料板热弹性力学的基本方程出发,假设材料参数沿板厚方向的梯度分布函数是任意的,基于状态空间法,获得了板在上下表面作用热/机荷载时的Peano-Baker级数解.通过数值算例,研究了级数解的收敛性以及不同的材料梯度分布对板位移、应力和温度场的影响.     

任意梯度分布功能梯度板的二维热弹性振动分析

研究了正交各向异性功能梯度平板的二维热弹性振动问题.该平板在y方向无限长,x方向对边简支且温度恒定.从热弹性力学的基本方程出发,假设材料参数沿板厚方向(z方向)按任意函数规律变化,基于状态空间法,在板的上下表面作用机械荷载和热荷载的情况下,获得了功能梯度平板二维热弹性振动问题的Peano-Baker级数解.通过算例,验证了Peano-Baker级数解的正确性,同时也分析了材料参数沿板厚方向为线性分布时不同的激励频率对平板响应的影响.结果表明:位移、应力均随着激励频率接近板的固有频率时,其值也增大.     

功能梯度压电压磁材料矩形板自由振动问题三维精确解

研究四边简支接地的功能梯度压电压磁材料矩形板的自由振动问题.假定材料性质沿板厚方向满足指数函数分布规律,将位移、电势和磁势展开成双三角级数,由三维控制方程导出以位移、电势、磁势及其沿板厚方向的导数为状态变量的状态方程,由此得到功能梯度压电压磁材料矩形平板自由振动问题的精确频率方程.     

基于不同梯度模式压电功能梯度板的挠度与应力场分析

用解析方法模拟压电功能梯度材料物性参数沿空间分布的非线性特性.基于物性参数沿空间为多项式函数、非整数幂函数及e指数函数分布3种不同梯度模型,采用修正的层合板理论,对压电功能梯度材料平板的挠度及应力场进行了分析,并对数值结果进行对比研究.     

轴对称功能梯度圆板稳态热传导的精确解

对轴对称功能梯度圆板稳态热传导问题进行精确分析.根据正交各向异性功能梯度圆板稳态热传导的基本方程,假设材料热传导率沿板厚方向按指数函数形式梯度分布,利用分离变量法,获得了在上、下表面作用任意热载荷情况下的精确解.通过数值算例,分析了材料性质的梯度变化和板厚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.     

沿板平面材料组分变异功能梯度板件分析

发展了一种细观分析和宏观计算相结合的计算方法——细观元法．细观元法是使功能梯度构件宏观响应和材料组分的几何、物理、构造参数直接发生关联的分析方法，实现材料细观结构到构件宏观响应的直接过度分析．细观元方法相比一般有限元法不增加结点自由度，却使得功能梯度板件内任意方向细观结构变化得到反映．目前功能梯度板件分析只能处理材料特性沿厚度方向梯度变化，而运用此方法则直接从制备时给定的材料组分分布出发计算构件宏观响应，并给出了沿板平面方向材料特性梯度变化功能梯度板件的力学量三维分布形态．     

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.     

功能梯度材料板在周期温度边界条件下的温度响应

在热载荷作用下,功能梯度材料板结构内部将产生温度场,变形场以及应力场等.通过解析推导和数值计算获得功能梯度板在不同组份材料体积分数分布以及不同边界温度频率下的温度响应.采用摄动法和分离变量法,得到功能梯度材料板内温度响应的解析表达式.作为算例,考虑材料组份沿板厚方向按幂律变化的情形,计算并讨论不同梯度因子、边界温度频率对陶瓷-金属梯度材料板内温度响应的影响.     

正交各向异性功能梯度微板弯曲行为尺度效应

为了研究材料参数沿微板厚度方向呈连续梯度变化的正交各向异性功能梯度微板弯曲行为的尺度效应,基于新修正偶应力理论和Kirchhoff弹性板理论,引入2个正交方向的材料特征尺度参数,将正交各向异性功能梯度微板的应力、偶应力、应变和曲率等基本变量描述为位移分量偏导数的表达式,并根据最小势能原理推导微板的平衡方程和边界条件。利用建立的模型,以材料弹性模量、剪切模量和材料特征尺度参数均沿微板厚度方向呈正弦梯度变化的四边简支微板为例,研究微板在双向正弦分布载荷作用下的弯曲行为,分析材料特征尺度参数与板厚比、材料各向异性和功能梯度参数对微板挠度、正应力和偶应力尺度效应的影响,定量标定考虑尺度效应时正交各向异性功能梯度微板结构的临界几何尺寸参数。研究结果表明:应用本文模型求解的微板挠度和正应力总是小于经典弹性Kirchhoff板模型解;板厚与材料尺度参数比值越小,微板挠度和正应力的尺度效应越明显;功能梯度参数对微板挠度、正应力和偶应力的尺度效应有一定影响;沿2个正交方向的特征尺度参数对微板挠度、正应力和偶应力的尺度效应影响程度不同。     

功能梯度材料圆(环)板的屈曲分析

基于经典板理论,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.假设功能梯度材料性质沿板厚度方向按成分含量百分比的幂指数形式连续变化,用打靶法求解所得方程,得到了功能梯度材料圆(环)板的临界屈曲载荷,并分析了材料的梯度性质、内外半径比以及边界条件对板临界载荷的影响.     

蜗卷弹簧导波频散特性研究与探头设计

蜗卷弹簧是高压断路器的关键零件,可用超声导波来检测裂纹损伤,超声导波的频散特性研究是影响导波检测的重要因素,也是导波探头设计的基本依据。本文首先推导了蜗卷弹簧的超声导波频散方程,说明理论上无法直接计算得到蜗卷弹簧的频散特性,通过借鉴圆柱壳结构周向导波的频散特性研究方法,把蜗卷弹簧的各圈近似为不同半径的圆柱壳结构、计算得到其频散曲线,从而得到蜗卷弹簧的频散特性,频散曲线表明蜗卷弹簧的形状参数是影响其频散特性的主要因素。以蜗卷弹簧外圈为例,计算了频率和探头入射角以及导波模态三者的关系,为导波探头频率选择及楔块角度设计提供参考。     

正交各向异性弹性层/功能梯度压电半空间结构中Love波的传播

研究了功能梯度压电半空间上覆盖一层正交各向异性弹性层结构中Love波的传播特性.覆盖层与基底的界面连接方式分别考虑了理想接触和非理想接触2种模式,功能梯度压电半空间的材料性能沿垂直于界面方向以指数函数形式变化.基于推导的频散方程,结合数值算例分析了材料性能梯度变化、正交各向异性材料的切割角度和非理想界面的连接程度对相速度的影响,其结果对功能梯度压电材料的覆层结构在声波器件中的应用具有重要的参考价值.     

功能梯度压电悬臂梁的弯曲分析

基于Airy应力函数法, 提出了分析功能梯度压电悬臂梁的一种新方法. 假设材料的所有电弹性常数沿厚度方向按同一函数规律变化, 获得了不同载荷作用下梁内电弹性耦合场的二维平面弹性解. 该解适用于任意梯度函数分布的情况. 通过数值算例, 还研究了不同梯度变化对功能梯度压电梁静力响应的影响.     

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。     

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.     

各向异性功能梯度材料板Ⅰ型裂纹断裂力学研究

针对材料参数在厚度方向可按任意函数连续变化的梯度材料,给出了一个新的分层模型．恰当选取分析平面,使材料参数沿2轴方向按任意函数形式连续变化,利用该模型并借助复变函数方法,研究了各向异性功能梯度材料的Ⅰ型裂纹平面断裂问题．首次推出了材料参数沿梯度方向按任意函数连续变化的各向异性功能梯度材料板Ⅰ型裂纹尖端的应力场、位移场和梯度应力强度因子的理论计算公式．结果显示裂纹尖端应力场同样具有r反平方根的奇异性,因此可以运用广泛应用于均匀材料中的断裂力学方法来研究各向异性功能梯度材料问题．     

任意载荷作用下各向异性功能梯度梁的解析解和半解析解

文章给出了各向异性功能梯度梁在任意法向分布载荷下的解析解和半解析解.任意载荷可以由正弦级数展开得到.首先导出各向异性功能梯度平面问题的应力函数所满足的偏微分方程,然后假定应力函数为长度方向的三角函数与高度方向为待定函数的乘积,再叠加长度方向的的一次多项式函数的形式,接着求出应力、轴力、剪力、弯矩和位移,再利用边界条件完全确定方程的解.当梁的材料参数假定为沿梁的厚度方向是指数函数或某种幂函数形式时,可以得到问题的解析解解.当材料参数为任意形式时,可以用子层法求取半解析解.利用这个方法可以解决两端各种边界条件的梁,如悬臂梁,简支梁,一端固支另一端简支梁和两端固支梁等的弯曲问题.文中还给出了3个算例.     

正弦型波纹板导波传播的理论模型与数值计算

为了探究正弦型波纹板中超声导波的传播特性,基于经典的自由平板中导波频散方程的推导方法,引入波纹板的结构参数,对波纹板中SH波和Lamb波的频散方程进行了推导.采用二分法数值求解频散方程,得到了波纹板相速度和群速度频散曲线.将波纹板和平板的频散曲线进行了比较,研究了导波不同模态的群速度随结构参数的变化规律.同时对波纹板中超声导波传播特性进行了有限元仿真,分析了正弦型波纹板中导波的实际传播距离随结构参数的变化规律.     

温度依赖热弹性功能梯度截顶圆锥壳的弯曲精确解

研究功能梯度材料截顶圆锥壳在横向机械载荷与非均匀热载荷同时作用下的变形问题.基于线性壳理论建立问题的混合型控制方程,其中考虑组分材料物理性能参数的温度依赖性,并且假设功能梯度圆锥壳的材料性质为沿厚度方向按照幂函数连续变化的形式.采用解析方法求解,得到问题的Bessel函数形式的全部精确解.分别就两端简支和两端固支边界条件,给出功能梯度圆锥壳的变形随其载荷、材料参数等变化的特征关系曲线,分析和讨论热载荷参数、材料梯度变化参数和物性参数的温度依赖性对变形的影响.