功能梯度碳纳米管增强复合材料板弯曲和模态的广义有限差分法

由复合材料构成的板结构一直以来受到很大关注,其中功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite, FG-CNTRC)具有异常优越的力学性能,使得诸多学者展开了对功能梯度碳纳米管增强复合材料板结构力学行为的研究.本文以FG-CNTRC板为研究对象,将一种新型的区域型无网格方法——广义有限差分法应用于求解基于一阶剪切变形的FG-CNTRC板结构的静态线性弯曲和自振模态问题.广义有限差分法(generalized finite difference method, GFDM)基于函数的泰勒展开式和移动最小二乘法将计算区域中任意一子区域中心点处函数值的各阶偏导数表示成该支撑域节点上函数值的线性叠加.该方法不仅无需网格划分和数值积分而且避免了全域无网格配点法通常遇到的病态稠密矩阵问题,使得这类方法具有形式简单、易于应用和实现等优点,目前广泛应用于各种科学和工程计算问题.本文首先介绍了基于一阶剪切变形理论的功能梯度碳纳米管增强复合材料板的广义有限差分法离散模型.随后通过基准算例,检验了广义有限差分法的计算精度与收敛性.最后数值分析和讨论了碳纳米管中不同分布型、体积分数、碳纳米管旋转角度、宽厚比、板倾斜角度和长宽比等对FG-CNTRC板结构弯曲和模态的影响.

四边简支功能梯度石墨烯增强复合材料厚板的自由振动分析

基于准三维板理论,研究了四边简支功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)厚板的自由振动行为.通过改进的Halpin-Tsai模型计算了不同分布模式下FG-GRC厚板的有效性能,利用Hamilton原理构建其控制方程,并根据Navier法求解.通过参数研究部分揭示了石墨烯纳米片(GPLs)的重量分数、FG-GRC板的总层数、GPLs分布模式、宽厚比以及长宽比对四边简支FG-GRC厚板自由振动固有频率的影响.由于准三维板理论考虑了厚度拉伸效应,因此在厚板计算中比经典板理论、一阶板理论和Reddy三阶板理论更为精确.

功能梯度碳纳米管增强复合材料结构建模与分析研究进展

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料.在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布.功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点.本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.文中所列成果可以看作是进一步研究的基石.最后,提出需要进一步研究的方向.

功能梯度石墨烯增强复合材料板的自由振动

基于高阶函数剪切变形板理论,研究了可移动简支边界条件下功能梯度石墨烯增强复合材料板的自由振动。利用修正的Halpin-Tsai模型估计了复合材料的等效杨氏模量。基于Hamilton原理构建其偏微分方程。通过Navier方法计算得到了板的量纲为一的频率,并与已有成果进行了比较,验证了本文计算模型的优越性。数值计算结果表明:功能梯度石墨烯增强复合材料板的量纲为一的基频受石墨烯小块的分布模式影响很大,随着石墨烯含量的增加而单调增加;固定石墨烯小块的厚度和长宽比,量纲为一的基频随着长厚比的增加而单调增加。

功能梯度复合材料板壳结构的弯曲、屈曲和振动

功能梯度材料通常是由两种如金属和陶瓷复合而成的一种新型非均匀复合材料.由于在这种材料中,各组份材料的体积含量在空间位置上是连续变化的,其物理性能没有突变,因而可较好地避免诸如在纤维增强复合材料中经常出现的层间应力问题或降低应力集中现象.功能梯度复合材料目前已被发展用来作高温环境下的结构构件.本文对功能梯度材料板壳结构分析的研究现状进行了评述,集中讨论线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.涉及各种边界条件下薄板壳和中厚板壳受热/机荷载作用的情况,并提出需要进一步研究的方向.

离心铸造SiC颗粒增强铝基梯度功能复合材料薄壁筒状零件制备工艺研究

实验选用3种粒径为15μm、30μm和52μm的混合SiC颗粒制备铝基梯度功能复合材料,并采用半固态复合搅拌法制备浆料,制备出阶跃式变化的梯度功能复合零件毛坯,通过设计零件机械切削工艺,在毛坯的SiC颗粒偏聚层加工出壁厚2.5mm,高80mm的薄壁筒状零件。

石墨烯增强功能梯度材料板条的热弹性响应

研究了石墨烯增强功能梯度复合材料板条的热弹性问题。基于推广后的Mian和Spencer功能梯度板理论,在板厚度方向上考虑热传导引起的稳态温度场,沿板厚方向考虑了三种石墨烯纳米片的分布形式,最终给出了不同边界条件下石墨烯增强功能梯度板条在温度场作用下的解析解。通过算例分析验证了本文方法的有效性,并讨论了边界条件和石墨烯的分布形式等因素对板条热弹性响应的影响。计算结果表明:石墨烯增强功能梯度材料板条在温度场作用下的热响应与在机械力作用下的弹性响应有较大不同。

C/C-Al_2O_3梯度功能复合材料改性研究

采用炭纤维表面涂层与基体改性方法相结合,对所制的C/C Al2O3梯度功能复合材料界面性能进行了改进。研究了增强相炭纤维与陶瓷相Al2O3的界面结合强度这一关键技术,进行了热学、烧蚀、力学性能测试和微观结构分析。结果表明,添加ZrO2对基体进行改性,使材料的强度提高了39.1%,热导率降低至0.902W/(m·K)(800℃);采用炭纤维表面SiC涂层处理能有效改善复合材料的界面性能,使材料强度提高了3倍,达到约70MPa。

基于MK和TSDT的功能梯度石墨烯增强复合材料板屈曲分析

针对功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)板屈曲行为问题,提出一种含7个自由度变量改进Reddy型三阶剪切变形理论(TSDT)和移动克里金(MK)插值的无网格模型.该模型不但能避免无网格法中第二类边界条件难以施加的问题,且不需人工引入剪切修正因子,适用于薄/中厚/厚板问题,同时具有较高的计算精度.通过Halpin-Tsai模型来预测FG-GRC板的有效杨氏模量,并根据混合定律来确定其有效泊松比.利用最小势能原理推导了含7个未知量FG-GRC板屈曲的无网格控制方程.通过与文献结果对比验证了方法的收敛性及有效性.数值结果表明:当FG-GRC板的总层数NL小于10~15时,FG-O和FG-X型的FG-GRC板临界屈曲荷载变化率较为剧烈,说明该阶段相较于环氧树脂板,GPLs增强板的刚度降低(或增加)较快;当FG-GRC板的总层数NL>10~15时,临界屈曲荷载变化率较为平缓;随着GPLs的长厚比l_(GPL)/hGPL增加到1000左右,FG-GRC板临界屈曲荷载急剧增加.当GPLs的长厚比l_(GPL)/hGPL增加到2000以上时,FG-GRC板临界屈曲荷载趋向于稳定且GPLs的长宽比l_(GPL)/wGPL和长厚比l_(GPL)/hGPL对FG-GRC板临界屈曲荷载影响不再明显.

双功能梯度碳纳米管增强复合材料旋转圆柱壳的振动分析

对3种边界条件下旋转态双功能梯度碳纳米管增强复合材料(DFG-CNTRC)圆柱壳的行波振动特性开展了研究。首先,根据建立的DFG-CNTRC圆柱壳模型,分析了以金属-陶瓷功能梯度材料为基体的5种类型碳纳米管增强材料的性能参数。其次,基于Sanders壳体理论和传递矩阵方法,考虑转速影响,推导了任一截面状态向量的常微分方程组和整体传递矩阵关系。最后,对简支-简支(S-S)、固支-固支(C-C)和固支-自由(C-F)3种典型边界条件下的动力学微分方程进行求解计算,验证了理论分析的正确性。研究表明,科氏力和离心力效应引起行波频率出现了分离现象和增大趋势,边界条件和碳纳米管体积分数对行波振动特性的影响显著,而基体材料体积分数指数对振动特性的影响较小,长度和厚度对结构振动特性影响均不同。

离心铸造法制备陶瓷颗粒增强Al合金基功能梯度复合管

利用熔融Ａｌ合金基体与颗粒增强相（ＳｉＣ及 Ａｌ２Ｏ３颗粒）在离心铸造条件下所受的离心力的不同，再通过调整其 它的工艺参数，利用水平式离心铸造机制备了３种具有不同强化部位（外层强化、内层强化以及内外层同时强化）的功能梯度复合 管．颗粒的３种分布方式使复合管的微观组织及显微硬度呈现了相应的梯度变化．强化部位的多样化可为功能梯度复合管的应用 开辟新的领域.

颗粒增强铝基功能梯度复合管研究

对强化颗粒进行了预处理 ,通过控制搅拌条件及感应炉供电功率等参数 ,使颗粒直接加入到基体铝合金中 ,并在浆体中呈现不同的分布 .再通过调整其它的工艺参数 ,利用水平式离心铸造机制备了三种具有不同强化部位和不同颗粒分布的功能梯度复合管 :外层强化、内层强化以及内外层同时强化 .结果表明 :功能梯度复合管的显微硬度与颗粒分布具有良好的对应关系 ,而且显微组织也呈现梯度变化 ;

梯度功能材料板热弹性分析模型

建立了梯度功能材料板的热弹性分析模型。考虑到梯度功能材料的材料性能沿板厚变化,参照复合料层合板将其沿板厚分为若干层,当层数足够多时,各层材料性能可视为常值。通过引入温度沿板厚折线假设和在位移场中考虑截面翘曲,显著改善了这类问题解的精度。算例显示了文中模型的精度和已有分析方法的不足,讨论了分层数的选取。

碳纳米管增强功能梯度复合材料薄板建模与分析

碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)增强功能梯度薄板的超高弹性模量、低密度及纤维结构等特点,使其具有广泛的应用前景,但是材料组成结构的复杂性给建模带来了难处。基于Reissner-Mindlin假设,建立碳纳米管增强功能梯度复合材料薄板结构的线性有限元模型,分别分析CNT增强体的分布形式、体积率、边界条件及结构的几何尺寸等因素对该功能梯度复合材料薄板结构性能的影响。通过四边简支及均匀面载荷下的板结构响应数据验证了所建模型的准确性。利用所建模型对CNT增强功能梯度薄板结构进行了几何线性的计算与仿真。研究表明:随着CNT增强体体积率的增加,FGM薄板的形变量减小;X型分布的功能梯度板的形变量最小,O型分布的薄板形变量最大,均一及V型分布产生的形变量大小介于两者之间;当薄板宽厚比小于50时,FGM板变形量趋于稳定且较小。

基于改进Reddy型三阶剪切变形理论的弹性地基上FG-CNTRC板屈曲无网格分析

针对含碳纳米管转向的Pasternak地基上功能梯度碳纳米管增强复合材料FG-CNTRC(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite)板的屈曲问题,提出了一种基于改进Reddy型三阶剪切变形理论TSDT(third-order shear deformation theory)和移动最小二乘近似MLS(moving-least square)的无网格分析模型。该模型避免了无网格法第二类边界条件的施加困难问题,且能够满足中厚/厚板的自由表面条件,无需额外引入剪切修正因子。基于最小势能原理推导了弹性地基上FG-CNTRC板的无网格屈曲控制方程,采用完全转换法处理本质边界条件。通过基准算例验证了本文方法的收敛性及有效性,讨论了碳纳米管的转向角、体积分数、分布形式、地基系数、宽厚比和边界条件等对FG-CNTRC板临界屈曲荷载的影响。

不同边界条件功能梯度矩形板固有频率解的一般表达式

采用梁函数组合法对功能梯度复合材料矩形板进行动力特性分析,提出了适用于每边任取简支、固定、自由边界之一(包括36种边界)、材料功能梯度沿厚度任意分布的矩形板固有频率与振型的解析解一般表达式;在简化情况下,给出了各种边界条件功能梯度矩形板固有频率解的直接显式。所给出的固有频率与振型解的结果可用于功能梯度板的动力分析,工程上应用广泛,简明实用。

改进Reddy型三阶剪切变形理论下FG-GRC板弯曲和模态分析的无网格法

基于含7个自由度变量的改进Reddy型三阶剪切变形理论(third-order deformation theory,TSDT)假设,采用稳定移动最小二乘近似(stabilized moving least-square approximation,SMLS)的无网格法研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene-reinforced composite,FG-GRC)板结构的静态线性弯曲和自振模态。通过Halpin-Tsai模型来估算材料的有效弹性模量,有效质量密度和泊松比由混合定律确定。利用最小势能原理和Hamition原理分别推导了FG-GRC板的线性弯曲和自振频率无网格控制方程。由于基于SMLS构造的形函数不满足克罗内克条件,故采用完全转换法处理本质边界条件。该研究首先介绍了基于TSDT下FG-GRC板的SMLS离散模型;随后通过与已有成果进行比较,检验了本文方法的收敛性及准确性;最后数值分析了石墨烯片(graphene platelets,GPLs)分布模式,质量分数、几何参数、总层数及边界条件等对FG-GRC板结构弯曲和模态的影响。

组份成分分布规律对功能梯度防护装甲动态响应的影响

利用数值模拟方法研究了在冲击载荷作用下组份成分对称分布的功能梯度板的动态响应。梯度板材料为陶瓷颗粒增强的铝基复合材料(MMC)。增强相体积分数随厚度服从指数定律连续分布,在对称分布条件下增强相体积分数分别在梯度板的前后表面达到最大值。结果显示,在这种功能梯度装甲板中,应力波的传播非常复杂,弹性和粘塑性波耦合在一起,反射拉伸波和卸载波的大小依赖于组份成分沿厚度的分布;等效塑性应变的幅值、动能、弹性应变能及耗散能随时间的变化规律与功能梯度材料组份成分沿厚度的变化密切相关。这些因素对强冲击载荷作用下功能梯度板的优化设计非常重要。

基于改进Reddy型TSDT的弹性地基上FG-CNTRC板线性弯曲与自由振动无网格分析

基于改进Reddy型3阶剪切变形理论(third-order shear deformation theory,TSDT)假设,考虑碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)转向及功能梯度材料的不均匀性,建立弹性地基上功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite,FG-CNTRC)板的线性弯曲和自由振动无网格分析模型.利用改进Reddy型TSDT推导FG-CNTRC板的势能和动能,给出弹性地基势能的表达式,再将其分别进行叠加,通过最小势能原理及Hamilton原理推导出弹性地基上FG-CNTRC板的线性弯曲和自由振动控制方程.采用稳定移动克里金插值(stabilized moving Kriging interpolation,SMKI)对问题域内的节点进行离散,该近似形函数的构造方法满足克罗内克条件,可以直接施加边界条件.文中首先给出基于三阶剪切变形理论的弹性地基FG-CNTRC板线性弯曲与自由振动无网格离散模型.随后通过基准算例,研究本文方法的有效性及精度问题.最后数值分析了CNTs的分布形式、转向角、体积分数、地基系数、宽厚比和边界条件等对FG-CNTRC板的线性弯曲及自振频率的影响.研究表明:采用本文方法计算FG-CNTRC薄板、中厚板、甚至厚板的线性弯曲和自振频率均具有较高的计算精度;随着CNTs体积分数和地基系数的增加,FG-CNTRC板结构刚度逐渐增大;FG-CTRC板结构刚度与宽厚比成正相关,厚度增加的剪切效应会让CNTs转向角对结构刚度的影响逐渐降低.

高阶剪切变形板理论下FG-GRC板的屈曲和弯曲分析

基于三阶剪切变形板理论(TSDPT)和正弦剪切变形板理论(SSDPT),研究了功能梯度石墨烯增强复合材料(FG-GRC)板的屈曲和弯曲行为,并通过与一阶剪切变形板理论(FSDPT)计算结果的比较,分析了TSDPT、SSDPT与FSDPT在FG-GRC板屈曲和弯曲力学行为研究过程中的差异。材料的有效杨氏模量通过修正的Halpin-Tsai微观力学模型估算,有效泊松比通过混合律确定。利用最小势能原理推导出了包含五个未知量的控制方程,并获得了简支FG-GRC矩形板弯曲挠度和临界屈曲载荷Navier形式的解析解。数值结果表明:与TSDPT和SSDPT相比,FSDPT明显高估了FG-X型FG-GRC板的临界屈曲载荷而明显低估了其弯曲挠度,且略微低估了FG-O型FG-GRC板的临界屈曲载荷而略微高估了其弯曲挠度,而UD型和FG-A型FG-GRC板在三种理论下的计算结果几乎完全一致;TSDPT和SSDPT在计算FG-GRC板的弯曲挠度和临界屈曲载荷时结果十分相近;当板的总层数NL小于10层~15层时,弯曲载荷比率和临界屈曲载荷比率的变化非常显著,当总层数NL超过10层~15层时,弯曲载荷比率和临界屈曲载荷比率的变化趋于平缓;由于石墨烯纳米片(GPLs)极高的弹性模量,FG-GRC板中GPLs的重量分数f_(G)与板抵抗弯曲和屈曲的能力正相关。