弹塑性梯度材料热机耦合分析的有限元方法

陶瓷/金属功能梯度材料(FGMs)的组份及性能梯度分布,在航空航天高温热结构中有重要应用。材料性能在空间上的连续变化给这类结构强度设计的有限元分析造成了一定困难,针对上述问题,提出一种热弹塑性梯度有限元方法。该方法通过编写有限元软件ABAQUS的材料用户子程序(UMAT)来实现,在UMAT中将FGMs的弹塑性本构模型参数定义为空间坐标的函数;用热弹塑性梯度有限元方法对陶瓷-FGMs-金属典型的三明治板结构进行热机械分析。结果表明:FGMs组分布函数对其热应力分布有很大的影响,特别是在三明治结构的界面上,影响更为突出,这和现有文献的实验结果相符。     

旋转FGMs层合圆柱壳行波模态频率分析

为推进功能梯度（FGMs）材料在发动机、导弹和火箭等领域的应用，旨在研究旋转FGMs层合圆柱壳的行波模态频率。采用Voigt模型和Sigmoid体积分数描述FGMs层合圆柱壳的材料属性，考虑科里奥利力、离心惯性力、环向初应力以及热内力推导了FGMs层合圆柱壳的能量表达式。采用切比雪夫正交多项式构造位移容许函数，建立了任意边界旋转FGMs层合圆柱壳的模态频率方程，并探讨了组分含量、夹层厚度、温度梯度和弹簧刚度系数等对FGMs层合圆柱壳模态频率的影响。结果表明:夹层厚度相比Sigmoid体积分数对模态频率的变化更为敏感；高旋转短薄壁圆柱壳相比长薄壁圆柱壳对边界条件和失稳现象的影响更为敏感；轴向弹簧相比其他弹簧对模态频率的影响更大。      

功能梯度圆柱壳的热应力与热传导分析

金属基陶瓷功能梯度材料特性随着厚度的变化而连续变化,且陶瓷散热快,金属强度高,有望用于飞机尾喷口的设计。本工作以功能梯度圆柱壳为对象,研究热流密度、陶瓷体积分数指数和热环境等参数对功能梯度圆柱壳热应力和热传导的影响。首先,建立功能梯度材料的热物理特性模型,探索各参数对材料热物理特性的影响规律;其次,建立功能梯度圆柱壳的热应力模型,探究不同条件下功能梯度圆柱壳热应力变化规律;最后,由能量守恒定律推导出圆柱壳的热传导方程,讨论陶瓷体积分数指数和热流密度对热传导的影响。结果表明,热流密度一定时,应力随陶瓷体积分数指数增加平缓,圆柱壳的外侧应力大于内侧应力;任意截面的温度随热流密度的增加而升高,且热流密度越大温度上升越明显。     

本构关系对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响——一维弹性损伤情况

许多工程材料当变形超过某一极限时由于损伤都会出现应变软化行为。首先从非局部理论出发,推导了应变梯度损伤本构方程;然后利用一阶拟线性偏微分方程组的特征理论,在一维弹性损伤情况下分析了两种不同的本构模型,即 Kachanov损伤本构方程与应变梯度损伤本构方程,对连续介质损伤力学基本方程适定性的影响。结果表明,当损伤发展时,与 Kachanov损伤本构模型相关的连续介质损伤力学的基本方程是不适定的;而与应变梯度损伤本构模型相关的,则无论损伤是否发展,其基本方程始终是适定的。这说明在连续介质损伤力学的本构方程中必须考虑材料内部微结构的尺度效应。     

双向梯度复合材料裂纹尖端应力强度因子研究

为了进一步改善梯度复合材料力学分析及设计水平,推导了一种适用于双向梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元法(XFEM).采用细观力学方法描述材料沿梯度方向变化的力学属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展单元随空间位置变化的刚度矩阵,建立了结构的连续梯度有限元模型,并采用交互能量积分计算得到了裂纹尖端的应力强度因子(SIF).通过与已有文献结果对比验证了梯度扩展单元的优越性,并讨论了双向梯度结构中相关参数对SIF的影响规律,得到结论:梯度扩展单元能够提高梯度材料中裂纹尖端SIF的计算精度,其计算结果随着网格密度的增加迅速收敛于精确解;双向梯度结构的组份分布形式和属性梯度能够明显影响裂纹尖端的SIF;对于多裂纹双向梯度结构,裂纹间的相互作用增大了裂纹尖端的SIF,弹性模量大的一侧SIF较大.     

功能梯度材料的有限元方法研究

针对功能梯度材料这种新型材料,提出了采用等参梯度元建立有限元模型的方法。推导了两种受力情况下各相同性功能梯度材料薄板的应力解析解。在实例运算中,通过梯度单元数值解与解析解及传统均一单元数值解的比较分析,验证了功能梯度材料采用等参梯度元建立有限元模型的有效性,对功能梯度材料的进一步研究具有一定的指导意义。     

Al2O3—Ti系梯度功能材料的优化设计

对Ａｌ３Ｏ３－Ｔｉ系梯度功能材料在制备过程中产生的残余热应力进行了弹性有限元法分析。讨论了梯度层数目,梯度层厚度和成分梯度指数对应力大小和分布的影响,优化出了各项最佳参数。非线度功能材料与优化后的梯度功能材料的残余热应力对比结果显示;梯度功能材料缓和热应力的效果十分显著。     

局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳振动频率与阻尼有限元分析

在引入黏弹性材料复模量模型和考虑圆柱壳弹性边界的基础上,研发了有限元程序来解决考虑频率依赖性的复合圆柱壳振动频率与阻尼的非线性计算问题。创建了一种4节点24自由度复合壳单元来模拟局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳的力学行为,推导了单元的刚度及质量矩阵。提出由6个弹簧组组成的周向变刚度弹性约束模型来模拟圆柱壳底部的弹性边界条件。确定了复合圆柱壳的动力学有限元方程,并描述了用特征向量增值法求解其振动频率与阻尼的迭代计算过程。对贴敷ZN-1自由阻尼层圆柱壳进行了实例计算,结果表明：该算法的计算结果与实验测试值误差最大为369%,另外黏弹性材料的频率依赖性对复合结构固有频率影响小于001%,而对模态损耗因子影响最大为10947%。     

夹层玻璃力学模型的探讨

根据夹层玻璃的实验应力分析结果和板壳弹性理论,提出复合刚度矩阵处理均质连续夹层玻璃和分解外力计算单片玻璃两种力学模型和计算方法,分别针对夹层材料的不同弹性常数下的受力状态,采用有限元数值计算得出有一定精度并非常实用的夹层玻璃应力分布。     

热环境中非保守简支-固支FGM梁的非线性力学行为

研究均匀和非均匀升温场中功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁在切线随动分布载荷作用下的非线性力学行为。基于可伸长梁的几何非线性理论,建立热环境中功能梯度材料梁在切线随动分布载荷作用下的控制微分方程。采用打靶法分析由陶瓷二氧化锆和金属钛合金两相材料组成的FGM梁的非线性力学行为。给出均匀升温和非均匀升温环境下,FGM梁在切线随动分布载荷作用下的平衡路径和平衡构形。讨论均匀和非均匀升温、材料梯度性质参数对梁屈曲和过屈曲行为的影响。结果表明:热环境中,FGM梁发生弯曲而纯陶瓷梁会发生屈曲行为;非均匀升温对非保守梁的力学行为有较大影响。     

等参梯度有限元应用于非线性梯度材料的研究

将等参梯度有限元法应用于非线性功能梯度材料,推导了2种受力情况下指数体积分数变化的功能梯度材料的应力分布解析解。通过不同的单元划分形式,对等参梯度元数值解、均匀单元数值解及解析解三者进行比较分析,得出等参梯度有限元方法对非线性梯度材料同样适用,为等参梯度有限元的推广应用提供了证据。     

浅析缓和热应力梯度功能材料的梯度化设计问题

提出了缓和热应力梯度功能材料的梯度变化设计思想和基本原则,分析了简单几何体的定常热应力,为缓和热应力型梯度功能材料的设计提供了指导依据。     

PMMA透光纳米复合材料的制备

利用同轴共纺技术制备出具有壳-芯结构的复合纳米纤维,再通过热压成型工艺将壳层的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)熔融,留下芯层的尼龙6(PA-6)纳米纤维作为增强材料,由此制备得到纳米纤维增强透光复合材料.实验结果表明,该复合材料较之纯PMMA板在力学性能上有明显改善,透光率则基本不受影响.应用SEM、TEM以及FTIR研究了复合纳米纤维的形貌和结构,并根据复合材料力学试验断口的SEM照片,分析了PA-6纳米纤维含量对复合材料力学性能和透光性能的影响.     

考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测

给出了几种典型拉-扭加载路径在新定义主坐标系下的π平面投影路径,并基于π平面投影路径提出了一种新的多轴疲劳损伤参量;考虑材料多轴加载的非比例附加强化效应,提出了一种非比例附加强化系数的预测方法和非比例度的定义方法;进一步考虑缺口试样多轴加载下的拉-扭应力梯度分布,结合有限元弹性分析的结果,提出了一种考虑多轴效应的等效应力梯度因子,从而发展了一种新的考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测模型,并选用GH4169合金650℃下的多轴缺口疲劳试验结果对所提出的寿命模型进行验证。结果表明:①所提出的多轴疲劳损伤参量有明确的物理意义,不仅适用于多轴疲劳,也适用于单轴疲劳;②所提出的等效应力梯度因子仅需通过弹性有限元分析确定,适合工程实际应用;③新的寿命预测模型对GH4169材料多轴缺口疲劳试验的寿命预测结果较好,基本位于2倍分散带以内。      

等离子熔射制备功能梯度涂层及其应用进展

介绍了功能梯度材料的概念及其应用前景,分析了几种功能梯度材料制备方法的优缺点,重点介绍等离子熔射制备功能梯度材料的工艺过程和应用进展。     

混凝土板的凹面翘曲分析

混凝土道面处在负温度梯度、也即板的下表面温度高于上表面温度时，将产生翘曲而呈凹形。如温度梯度增大时，板底和地基之间将产生间隙。本文在考虑到由于翘曲而在板下产生间隙情况下，对半无限板和有限宽度的无限长板中的位移和应力分布提出了一种分析方法。基于这种分析，提出了有限板中求最大应力的近似公式。这里提供的这种解法是根据文克勒（Winkler)地基模型而将平板理论应用到弹性平板得到的。因此，它是通用的弹性解，不仅对混凝土而且对其它材料也可应用。     

一种半球谐振陀螺谐振子动力学建模方法

准确完备的半球谐振陀螺（HRG）谐振子动力学模型是陀螺误差分析的基础。为建立半球壳谐振子动力学模型,基于弹性力学薄壳理论,提出了一种谐振子动力学建模方法。首先,在薄壳的弹性力学几何方程基础上,推导了半球壳谐振子的变形几何方程。其次,在提高受力分析计算精度的基础上,推导了半球壳谐振子的物理方程。然后,分析了谐振子中面的受力平衡关系,推导了谐振子的平衡微分方程。最后,基于以上对整个谐振子的动力学分析,建立了谐振子动力学方程。根据谐振子的不同外载荷形式,利用布勃诺夫-伽辽金法求解得到谐振子2阶谐振状态动力学模型,并得到了谐振子比例系数和2阶谐振频率的表达式。通过对比验证可以看出,参数计算值与实测数据结果一致,证明了所建立的动力学模型的准确性。     

功能梯度材料热传导的多尺度边界元分析

功能梯度材料是物理性能连续变化的非均匀复合材料,其结构特点消除了材料内部严重的热应力界面,在航空、航天及核反应堆等工程领域具有广阔的应用前景。针对功能梯度材料的稳态热传导问题,给出一种基于边界元模型的统计多尺度分析方法,并针对典型问题进行数值模拟。首先,在功能梯度材料微结构随机分布且体积分数随着位置变化的表征基础上,建立等效热传导系数的多尺度边界元分析模型;然后,给出统计意义下的数值计算方法;最后,研究颗粒随机分布功能梯度材料的热传导性能,并通过与实验结果对比对算法进行验证。结果表明:统计多尺度边界元方法对于预测功能梯度材料的热传导性能是有效的。     

陶瓷纤维梯度增强活塞的梯度方程研究

 功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势,然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分,使性能分析存在很多困难。论文应用复合材料热性能理论,采用有限元分析软件ADINA,分析陶瓷纤维梯度增强活塞（材料梯度方程的参数不同）的温度分布和应力分布,结果表明陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。根据计算结果拟合出温度峰值、整体应力峰值和层间应力峰值与方程系数之间的曲线,并加以验证。     

微纳米压痕测试技术:发展与应用

近年来,具有高精度、高通量的微纳米压痕测试技术,已被广泛应用于研究微/纳米尺度下材料力学性能演化规律和变形行为中。然而,在航空航天材料试验测试领域,令研究人员更感兴趣的往往是如何更好地揭示材料工程性能,更好地理解材料在服役环境下变形损伤机制。因此,接近材料真实服役环境（如高/低温、电/磁场）下的微纳米压痕测试系统更具应用潜力。首先对传统的微纳米压痕测试技术进行回顾总结,涉及测试系统的组成、经典分析理论方法及其面临的尺度/尺寸效应。然后,简要描述典型磁电弹性材料在力-电-热-磁多场耦合环境下接触力学行为的解析模型,并着重阐述面向材料实际服役环境下的压痕测试技术的典型应用,包括高/低温纳米压痕测试和电/磁场耦合条件下的纳米压痕测试应用。最后,讨论了目前发展所面临的主要问题和挑战,这对微纳米压痕测试技术的进一步发展和先进应用具有重要意义。