分层递变梯度蜂窝材料的面内冲击性能

提出了一种分层递变梯度蜂窝材料模型,以期控制蜂窝材料的能量动态吸收性能。此模型通过改变胞元的半径来改变蜂窝材料的面内特征参数,以实现蜂窝材料面内动力响应特性的多目标优化设计。计算结果表明,此模型可以在减小初始峰值应力水平的前提下,同时实现材料能量吸收过程的控制,并可以有效控制进入被保护结构的应力水平。此模型可为蜂窝材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供理论指导和设计思路。

基于分层法的功能梯度材料有限元分析

基于分层法,本文采用有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。将功能梯度材料平面结构划分成若干层,每层的材料参数按函数形式变化。在此分层模型基础上得到同一层的材料参数为常数,然后各层按照常规的有限元方法进行网格划分,建立有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。数值算例表明,功能梯度材料平面结构应力和位移的有限元计算结果与解析解吻合得很好。通过设计组分材料Y-TZP弹性模量的三种工况,讨论了弹性模量梯度系数对有限元计算结果的影响。数值结果显示,弹性模量梯度系数变大对应力和位移的有限元计算结果有影响,对应力的影响较大而对位移的影响较小。

含氟聚合物自分层功能梯度涂层材料研究进展

在简述自分层涂料发展历程的基础上,介绍了其分层机理和理论预测方法,并总结了其配方设计、涂膜分层影响因素以及表征手段。以含氟聚合物为例,阐述了其在自分层涂料中的应用,并提出了自分层功能梯度涂层材料的发展方向。

功能梯度材料悬臂梁受复杂载荷作用的分层剪切理论

本文采用分层剪切变形理论对功能梯度材料层梁进行了分析 ,建立了功能梯度材料悬臂梁模型。取材料为非均质性 ,材料弹性系数随梯度变化 ,应用边界条件 ,层间连续条件 ,得出了梁结构的变形与应力。结果表明 ,存在优化的梯度因子使得悬臂梁具有最佳的承载能力 。

功能梯度材料稳态热传导方程的分层精细指数法

提出了功能梯度材料稳态热传导方程的分层精细指数化法(Layered Exponential Precise Method,LPEM)。首先将稳态热传导方程单向离散,转化为沿厚度解析的常微分边值问题。然后将厚度M等分,利用相邻结点间状态参量的精细积分关系式,将常微分边值问题转化为一个几乎无离散误差的代数方程组,并给出合并消元的递推公式。对于热传导系数沿厚度指数或者分段指数规律变化的情况,该方法具有极高的精度与效率;对于更一般的情况,提出了将热传导系数沿厚度分段指数化的求解方法。算例的结果证明了该文方法的有效性。

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。

基于介电功能梯度材料的盆式绝缘子电场分布优化

为改善盆式绝缘子沿面电场分布,以径向介电常数分布为对象,提出了一种通过识别沿面最大场强位置反馈更新介电常数分布的全局优化算法,实现了介电功能梯度材料盆式绝缘子参数优化设计.通过APDL语言,实现MATLAB与ANSYS联合仿真,研究了步长大小、分层数量等参数对优化结果的影响.结果表明:随着步长减小,沿面场强分布随迭代次数的变化更加平滑,介电常数区间范围增大.分层数目越多,径向介电常数分布越平滑,高压端介电常数值越大,沿面电场分布波动越小,最大场强降低幅度越大,可达70.5%.盆式绝缘子场强集中区域从高、低电极和三结合点处往中间转移,上、下表面电场利用率均达到0.75以上.研究结果为盆式绝缘子优化设计提供了参考.

梯度材料三维稳态温度场的改进分层计算方法

针对每层热传导系数为常数的分层计算模型,采用功能梯度材料(FGM)每层热传导系数为指数变化规律,对原计算模型进行改造,消除了每层热传导系数跳跃性,得到稳态温度场的温度分布计算公式。计算结果表明,精度相同时,热传导系数为指数变化规律分层计算模型收敛速度是热传导系数为常数的分层计算模型的3倍多,精度越高,收敛速度越快。

梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析

借助非线性有限元程序LS-DYNA,基于功能梯度材料的概念,改变蜂窝胞壁厚度,建立了具有密度梯度的内凹六边形负泊松比蜂窝材料模型.分析对比了均匀负泊松比蜂窝材料和梯度负泊松比蜂窝材料在不同面内冲击速度下的变形模式、动态响应和能量吸收特性.研究表明,梯度负泊松比蜂窝材料的动态响应和能量吸收能力受梯度、胞元内凹角度和冲击速度的影响.如果能适当选取各项参数,就可使材料在降低初始应力峰值的同时保持良好的能量吸收能力.因此,具有密度梯度的负泊松比蜂窝材料在结构防护方面具有良好的应用前景.

梯度功能材料层梁受机械/热载作用的结构特性分析

本文建立了梯度功能材料层梁模型 ,采用分层剪切理论对梯度功能材料悬臂梁进行了分析。取材料为各向异性 ,材料参数沿梯度方向变化 ,利用界面连续条件 ,边界条件 ,得出了结构的变形与应力。结果表明 ,载荷分布对结构中的应力数值有很大的影响 ,存在优化的梯度系数使得结构具有最大的承载能力。

基于分层法石墨烯增强功能梯度梁的有限元分析

基于分层法的思想,对石墨烯增强功能梯度梁进行有限元力学分析。在有限元计算的分层模型中,每层的材料参数为常数,并根据修正后的Halpin-Tsai微观力学模型计算得到,然后按照标准化步骤完成石墨烯增强功能梯度梁的有限元建模和力学分析。通过数值算例,分析了石墨烯的质量含量、分布形式和尺寸等因素对梁的弯曲性能的影响。数值算例结果表明,加入少量的石墨烯可以显著减少梁的弯曲挠度,在梁的上下表面分布更多的石墨烯是减少弯曲挠度的最有效的方法。在相同质量含量的情况下,长厚比较大的正方形石墨烯片更能够提高梁的弯曲性能。

功能梯度防热材料在高超声速飞行器热防护上的设计研究

研究梯度型防热材料的烧蚀/温度场计算方法,基于分层法,将梯度型防热材料平面结构划分成若干层,每层的材料参数按函数形式变化,在此基础上对材料的热防护方案进行烧蚀/温度场计算。通过与单层均质防热材料、单层均质低密度防热材料、双层式防热材料和夹层式防热材料计算结果的对比分析,指出梯度型防热材料的优势,以及运用于高超声速飞行器需关注和解决的问题。研究结果表明,梯度型防热材料在不增加表面的热解烧蚀量的情况下,能明显减少向内部结构传导的热量,大大减轻防热结构的重量,显示了在高超声速气动热防护领域极高的防热效率和应用前景。

基于分层有限元的功能梯度混凝土梁热弹性分析

功能梯度混凝土材料(Functionally Graded Concrete Materials,简称FGCs)是一种材料组分和性质在空间上呈梯度连续变化的新型复合材料。本文采用分层模型的思想并借助有限元软件ANSYS建立了FGC梁的有限元模型,通过一个典型算例验证了模型的可行性和计算精度,结果发现本文解与参考解具有很高的吻合度。在此基础上对FGC梁的热弹性问题进行了分析,得到了梯度形式和梯度参数等对梁热应力的影响规律,研究结果可为FGC梁的组分设计提供一定的参考。

功能梯度混凝土梁热断裂问题的分层有限元法研究

功能梯度混凝土(Functionally Graded Concrete,简称FGC)属新型复合建筑材料,其组分和性质在空间上呈梯度连续变化。本文基于ANSYS有限元软件和分层模型开展FGC梁的稳态热断裂问题研究,通过一个典型算例验证了分层有限元法的收敛性及计算精度,并在此基础上进一步分析了梯度形式、梯度参数及裂纹几何形态等对FGC梁热断裂行为的影响规律,相关结果可为FGC梁的组分设计提供一定的参考。

含有功能梯度界面相压电纤维复合材料的平面问题

基于复变函数理论和线弹性压电材料本构方程,研究了含有功能梯度界面相压电纤维复合材料平面问题的电-弹场。首先基于复变函数理论,对功能梯度界面相分层均匀化处理,然后将基体、分层均匀化后的界面相以及压电纤维的复势设定为含有待定系数的级数解形式,再通过边界条件建立相应的方程组求解复势中的待定系数,最后求得在各种载荷下压电复合材料的电-弹场。研究结果表明功能梯度界面相的材料属性对压电复合材料的电-弹场有重要的影响。

梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的动力响应

利用弹道冲击摆锤系统对分层梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载下的动力响应进行了实验研究,分析了梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的变形失效模式,并与传统非梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能做了对比。通过一维应力波理论,分析了应力波在梯度芯层中的传播规律。应力波透射系数在梯度试件中比非梯度芯层中小,而且相对密度递减的芯层组合有最小的应力波透射系数。综合考虑结构变形失效模式,后面板挠度,芯层压缩量以及应力波传播特点得到:分层梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能明显优于传统的非梯度夹芯板,在所研究的荷载范围内,芯层相对密度从大到小排列试件的抗爆性能相对较好。

梯度厚板热应力分层计算方法的改进

为了使功能梯度材料厚板的分层计算具有更快的收敛速度和更好的精度,而采用每层热力系数与梯度材料厚度变化为指数函数的分层方法,来平滑均匀分层法引起材料热力系数的跳跃,使热力系数更逼近实际,并将该方法命名为指数函数有限分层法。通过算例表明,在精度为0.1的情况下,均匀分层法的分层层数是指数函数分层法的分层层数的2倍多,并且随着精度的提高,分层层数相差的倍数就越大。

任意梯度分布功能梯度板条平面裂纹分析

提出一种可以分析任意梯度功能梯度材料的分层模型,并采用该模型研究功能梯度板条平面裂纹问题.采用Fourier变换和传递矩阵法将该混合边值问题化为奇异积分方程组,通过数值求解获得应力强度因子.考察了分层模型的有效性,还讨论了材料梯度变化形式、结构几何尺寸和材料梯度参数对裂纹应力强度因子的影响,发现结构几何尺寸、材料梯度变化形式、以及材料梯度参数均对应力强度因子有显著影响.

金属陶瓷功能梯度板的模态频率分析

金属陶瓷功能梯度材料因其良好的耐热特性和高强度性能,在飞行器壁板的热防护系统设计中具有潜在的应用价值。以功能梯度板为对象,研究陶瓷体积分数指数、板的几何尺寸和热环境等参数对功能梯度板模态频率的影响。首先,采用幂律分布函数材料模型,讨论热环境对功能梯度材料物理特性的影响;在此基础上,利用温度在有限元中随空间位置连续变化的特点,建立依赖温度场变化的功能梯度材料板线性分层有限元模型,并验证该模型在动力学分析中的有效性;最后,分析陶瓷体积分数指数、功能梯度板的长宽比、温度梯度等变量对功能梯度板模态频率的影响。结果表明:高阶模态频率受均匀温度场的影响最大,而第一阶模态频率受线性和非线性温度场的影响更大;线性和非线性温度场下,陶瓷体积分数指数对模态频率下降率的影响最为敏感;均匀温度场下模态频率下降率主要受体积分数指数和温度梯度耦合作用的影响。

分层梯度橡胶混凝土SHPB试验数值模拟研究

当今世界,恐怖炸弹袭击、偶然性事故爆炸使地下工程面临威胁日益严峻,提高地下工程的动力防护能力是亟待解决的重要社会与科技问题。橡胶混凝土优异的缓冲吸能特性使其在结构的动力防护方面有着突出的研究前景。功能梯度材料(FGM)是一种可以根据不同场合对其功能进行设计的材料。论文将功能梯度材料理念引入到橡胶混凝土材料中,用以探究分层梯度橡胶混凝土的动态抗压强度和消波能力。研究方法基于HJC混凝土本构模型,采用有限元软件LS-DY⁃NA对分层梯度橡胶混凝土的SHPB试验进行数值模拟。通过模拟结果发现合理的梯度模式可以提升橡胶混凝土的消波能力与动力抗压强度,逆梯度橡胶混凝土所表现出来的动态力学性能最好。在更大的加载波速下相比于其他梯度和均质橡胶混凝土逆梯度橡胶混凝土的消波能力将会更强,研究成果可为增强地下工程动力防护能力提供新思路。