热环境中多孔功能梯度材料微圆板的自由振动分析

基于经典板理论和修正偶应力理论,研究热环境中多孔功能梯度材料(FGM)微圆板的自由振动问题。首先利用Hamilton原理推导热环境中含有材料尺度参数的多孔FGM微圆板自由振动的控制微分方程并进行无量纲化。然后应用微分变换法(DTM)对多孔FGM微圆板自由振动的无量纲控制微分方程和边界条件进行变换,得到计算自由振动无量纲固有频率的代数特征方程。最后通过MATLAB编程计算并分析了梯度指数、孔隙率、不同升温方式和材料尺度参数对多孔FGM微圆板无量纲固有频率的影响。结果表明:材料尺度参数的增加,无量纲固有频率会增大;梯度指数影响频率,反映了材料从陶瓷到金属的转变特性;孔隙率会削弱刚度,进而影响固有频率。研究结果可为今后热环境中多孔FGM微圆板的设计与应用提供数据支持。

功能梯度材料混合及挤出过程中螺杆参数分析与设计

为了解决微流挤出工艺制备功能梯度材料混合挤出过程中过渡不均匀现象,建立了在混合挤出过程中体积流量与材料流变特性、螺杆结构参数及螺杆转速之间关系的数学模型,得到了适用于三维打印功能梯度材料混合挤出式螺杆设计的解析关系。研究了螺杆结构设计及参数间的关联关系,分析了设计参数对工作性能的影响,得到了功能梯度材料在螺旋槽内混合挤出分布规律,其中,螺杆转速是影响体积流量的主要因素,槽深与螺旋角是浆料混合过程中形成滞留区的关键因素,最后,使用特定参数下的螺杆结构进行混合挤出试验验证。结果表明:采用优化的螺旋参数能够保证一定体积流量下的打印零件的成形效果,为混合挤出式螺杆的优化设计提供理论支持。

材料挤出式3D打印制备功能梯度材料过渡距离研究

近年来随着3D打印技术的飞速发展,材料挤出成型工艺制备功能梯度材料成为研究热点。材料之间的过渡是影响最终成型质量的关键因素。目前,国内外学者只研究了两种独立材料之间相互转变的过渡距离,对不同组分材料之间的转变研究较少。采用双料筒打印机研究了不同组分材料之间的过渡距离,并通过实验探究不同进给量对过渡距离的影响,在保证打印质量的前提下得到了过渡距离最小的进给量。以Visual Studio 2019为开发平台提出一种新的进料策略缩短过渡距离,在路径规划中对切片得到点的材料信息进行判断,对组分增大的材料根据变化值计算其进给量并输出生成新型G代码。最终,采用新型G代码进行打印实验,缩短了材料过渡距离得到了理想的材料过渡曲线。

功能梯度材料全踝关节假体力学响应的有限元分析

目的研究分别植入径向和轴向功能梯度材料(functionally graded materials,FGM)踝关节假体后,胫骨假体与胫骨远端松质骨的力学响应。方法使用3种FGM,分别为钛合金-生物活性玻璃复合FGM(FGM-Ⅰ)、钛合金-理想骨弹性材料复合FGM(FGM-Ⅱ)、钛合金-羟基磷灰石复合FGM(FGM-Ⅲ)。建立全踝关节置换三维有限元模型,利用仿真软件ABAQUS基于Fortran进行二次开发,通过改变体积分数,在轴向和径向上调整所建功能梯度胫骨假体的力学特性。分析FGM轴向和径向胫骨假体植入后,在站立位工况下胫骨假体与胫骨松质骨上的应力分布。结果与钛合金胫骨假体相比,3种FGM均可有效减小胫骨假体上的应力集中,其中FGM-Ⅲ胫骨假体总体效果优于FGM-Ⅰ和FGM-Ⅱ胫骨假体,且相对于轴向分布而言,FGM沿径向分布可以有效降低假体的最大von Mises应力。对于胫骨松质骨,3种FGM径向胫骨假体和FGM-Ⅲ轴向胫骨假体均能有效增加其远端应力,从而减轻松质骨上的应力遮挡,其中FGM-Ⅲ径向胫骨假体最为有效地改善了松质骨上的应力水平。结论FGM-Ⅲ径向踝关节假体可以有效降低假体上的应力集中现象并减小应力遮挡效应,以此达到延长假体寿命的目的,具有潜在的应用前景。

弹性地基上非对称多孔功能梯度材料夹层板的自由振动

基于精细剪切变形理论研究了弹性地基上的非对称孔隙功能梯度材料(functionally graded material, FGM)夹层板的自由振动。结合该理论提出了一种新的非对称多孔FGM夹层板在弹性地基上的自由振动模型,且该模型只包含四个未知变量。控制方程是通过Hamilton原理建立的,并通过Navier法获得了其在四边简支下的固有频率。将模型退化为无弹性地基的非对称FGM夹层板以验证模型的准确性。最后详细讨论了参数变化对弹性地基上的非对称多孔FGM夹层板的自由振动行为的影响。研究发现,在不同的弹性系数下,非对称多孔FGM夹层板的固有频率会随着边厚比的增加而增加,而体积分数指数的增加对于不同弹性系数下的非对称多孔FGM夹层板的固有频率有不一样的变化。

功能梯度材料声子晶体低频带隙特性研究

声子晶体作为一种减振降噪的结构已经在建筑、土木等领域被广泛应用。基于局域共振声子晶体理论在前期研究的基础上对一种含二维变化功能梯度材料的声子晶体进行优化设计,并通过有限元数值仿真研究该声子晶体的减振性能。结果表明:功能梯度材料声子晶体能带结构在0~1000Hz内共有3条完全带隙,其第一禁带的起始频率约为0,第三禁带截止频率为991.36Hz,总禁带宽度为990.85 Hz,在该带隙范围内占比为99.08%,并且在X方向上对该声子晶体10×5个周期进行传输特性分析,分析结果完全验证了禁带的存在,证明含二维变化功能梯度材料的声子晶体能有效抑制0~1000 Hz的弹性波,最后将含功能梯度材料声子晶体与传统声子晶体进行对比分析,验证了功能梯度材料声子晶体的减振性能。研究结果可为土木交通工程减振降噪提供一种新的设计方法。

基于有限体积法的功能梯度材料流固耦合传热一体化计算

为提高功能梯度材料(FGMs)流固耦合传热性能分析的准确性,本文提出了一种二维FGMs流固耦合传热问题一体化计算方法。基于有限体积法离散控制方程,将物性参数和变量储存在单元中心,把耦合面当成特殊的内部面处理,采用中心差分格式处理离散方程中的面单元参数。通过FGMs圆环热传导算例,讨论了高斯法和最小二乘法两种梯度求解方法对于不同网格的适应性。结果表明,对于非结构化网格,最小二乘法比高斯法具有更好的适应性。对于结构化网格,两种方法都具有良好的适用性。因此,本文采用最小二乘法计算离散方程中的梯度,应用有限体积法求解FGMs方板热传导、自然对流和FGMs流固耦合传热问题。计算结果与文献或商用软件计算结果吻合良好,验证了本文方法的有效性。

Winkler弹性介质中多孔功能梯度材料截锥壳的弯曲

弹性介质中板壳结构的力学特性研究,大都假设结构体在变形过程中始终与介质紧密接触。为研究可脱离的Winkler弹性介质中含孔隙功能梯度材料截锥壳在环向荷载作用下的弯曲问题,以陶瓷材料质量分数、体积指数和孔隙率为控制参数,根据混合律计算含均匀孔隙功能梯度材料的物性参数。基于Donnell经典薄壳理论和Hamilton原理,建立Winkler弹性介质和环向荷载共同作用下截锥壳的平衡方程和变形协调方程。考虑锥壳两端简支边界条件,采用Galerkin积分法求解得到截锥壳弯曲挠度的解析解。研究在弹性介质与壳体接触和脱离两种情况下,孔隙率、功能梯度材料组成和截锥壳尺寸等因素对壳体挠度值的影响。结果表明,截锥壳挠度值随着孔隙率、体积指数、壳体长径比、径厚比和半锥角的增大而增大,随着陶瓷质量分数的增大而减小。截锥壳与Winkler弹性介质接触时的挠度值比脱离时小,这是因弹性介质对壳体有一定的反作用力。在截锥壳母线方向上,其中部的挠度值较大,而由中部到两端的挠度值逐渐减小;在截锥壳环向方向上,其挠度值呈现周期变化。分析多孔FGM截锥壳在弹性介质和环向荷载作用下的弯曲问题,为FGM截锥壳在工程领域中的应用提供了理论基础。

Cu-Ag-La_(2)O_(3)功能梯度材料的制备及其性能研究

为提高Cu、Ag、La_(2)O_(3)的界面结合强度,通过化学镀工艺在Ag、La_(2)O_(3)粉末表面镀上均匀、完整和致密的Cu粉。采用热压烧结工艺制备出含有不同成分的三层和五层Ag/Cu/La_(2)O_(3)功能梯度材料,研究成分对两种功能梯度材料的显微组织、致密度和润湿性的影响。

介电功能梯度材料在电气绝缘领域的研究进展

介电功能梯度材料(dielectric functionally graded materials,d-FGM)是一种具有空间非均匀介电参数分布的新型绝缘材料。在电气绝缘领域,d-FGM可通过调节材料介电常数或电导率的空间分布,实现电场分布的有效调控,进而显著提升绝缘结构的耐电强度。相对于传统绝缘设计中结构优化与材料改性相对分离的情况,d-FGM创新性地将两者有机结合起来,有望带来绝缘设计理念的变革。该文分析了d-FGM在电气绝缘领域的应用原理,综述了其研究进展,并进一步从d-FGM设计、制备、性能评价(包含介电特性无损检测、放电起始及发展物理机制探索)等方面,阐述了d-FGM研究中的关键科学问题及解决思路,以期对电气绝缘d-FGM的学术研究及工程应用起到指导和促进作用。

横观各向同性功能梯度材料矩形板的自由振动

考察了沿厚度方向材料参数为非均匀的功能梯度横观各向同性矩形板的自由振动。通过引入两个位移函数和两个应力函数导出了两个独立的变系数状态方程。进一步利用分层近似理论 ,将变系数状态方程化为常系数状态方程并求解。发现存在两类独立的自由振动形式 :第一类对应纯板内振动 ,第二类对应一般的弯曲振动。给出了数值结果 ,讨论了材料梯度指标对固有频率的影响。

功能梯度材料与结构的若干力学问题研究进展

功能梯度材料的宏观材料特性在空间上是连续变化的,因此即使在线弹性理论范围内,由于控制偏微分方程是变系数的,相应的力学分析具有很大的挑战性.综述了功能梯度材料与结构若干力学问题的最新研究进展,包括功能梯度材料梁、板、壳结构的解析解与半解析解以及简化理论的研究、功能梯度材料结构的数值计算方法研究、功能梯度材料的断裂力学研究.最后对未来功能梯度材料与结构的力学研究进行了展望.

W/Cu功能梯度材料的热应力优化设计

运用有限元软件对W/Cu梯度材料进行了热应力优化设计,结果表明,在30MW/m2的表面热流负荷下,经过优化设计的W/Cu功能梯度材料有较好的热应力缓和效果,与非梯度材料相比等效热应力降低了62.3%,表面工作温度下降了50℃;与单纯金属W相比,W/Cu梯度材料的表面工作温度较之大幅度降低445℃。

功能梯度材料的研究动态

功能梯度材料是一种新型复合材料，它的两侧由不同性能的材料组成，而中间部分的结构是以原子、分子级连续变化，从而消除了不同材料结合的性能不匹配因素。本文介绍了功能梯度材料的概念和开发背景，着重论述了功能梯度材料在材料设计、制备和性能评价方面的研究现状及其应用前景。

功能梯度材料的新型制备法-多层复合镀

功能梯度材料由于其独特的性能而越来越受到人们的青睐。总结了功能梯度材料的各种制备方法。重点介绍了采用多层复合电镀技术制备功能梯度材料。该方法成本低、易于操作，所得镀层孔隙率低、结合力好，耐磨、耐蚀性好。

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.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.

机械工程用功能梯度材料涂层制备技术及其应用

介绍了国内外功能梯度材料 (FGM )的应用现状和发展方向 ,分析比较了目前功能梯度材料的主要制备方法和分类。列举了现阶段FGM材料的应用范围。

功能梯度材料的平面断裂力学分析

针对材料参数在厚度方向可能按任意连续变化的梯度材料，给出了一个新的分层模型．利用该模型求解了面内加载下梯度界面层和涂层中的界面裂纹问题．借助 Fourier 积分技术和传递矩阵方法，将该问题化为个 Cauchy 型奇异积分方程．通过数值求解，得到感兴趣的应力强度因子．对不同形式的杨氏模量和泊松比，计算了界而裂纹应力强度因子．结果表明泊松比的变化形式对应力强度因子影响不大，可当作常数处理，而杨氏模量的影响则很大．

自蔓延预热爆炸固结Mo/Cu功能梯度材料的研究

设计并采用自蔓延燃烧预热,水介质缓冲双向爆炸固结的方式制备了Mo/Cu功能梯度材料(FGM),观测了Mo/CuFGM的显微组织并分析了固结过程。对各层的密度、硬度、电导率等进行了测量和分析。发现随着Cu含量的增多,材料的密度平缓递减但相对密度逐渐增大,硬度降低,电导率升高。相对密度从Mo层的94.2%到Cu层的98.4%,试样整体的相对密度达95.5%。Mo/CuFGM第1层与第2层间的剪切强度为214.8MPa;Mo/CuFGM第3层,第4层的热导率分别为204.76W·m-1·K-1和249.71W·m-1·K-1。

功能梯度材料的发展及展望

系统地论述了功能梯度材料的概念、设计方法、制备工艺、性能评价及其应用领域。着重于相关的热应力缓解、热弹(塑)性力学、三相微观力学模型等理论的阐述和分折,并对功能梯度材料的发展及应用前景作了展望。