压电功能梯度层合梁的力-电-热耦合梁单元及最优振动控制

给出了一个压电功能梯度层合梁振动分析的两节点力-电-热耦合梁单元,并将其用于功能梯度层合梁的振动最优控制。在这个多场耦合梁单元中,功能梯度材料的等效力学性能用Voigt或Mori-Tanaka模型表征;梁的位移场用Shi改进的三阶剪切变形板理论描述;压电层的电势场用Layer-wise理论分层表征,且呈高阶非线性电势场的压电层可离散成数个子层。用Hamilton原理推导了压电功能梯度梁的力-电-热耦合单元列式,用拟协调元法给出了多场耦合梁单元的高计算效率的显式单元刚度矩阵,以及采用线性二次型(LQR)最优控制算法进行压电功能梯度层合梁的最优振动控制。使用所得力-电-热耦合梁单元进行了压电功能梯度层合梁的静力和动力分析。数值算例表明,所得力-电-热耦合梁单元可靠、准确和高效,LQR最优控制算法得到最优控制电压可有效抑制功能梯度梁的振动且实现控制系统能量的优化。

连续梯度的功能层对燃料电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响

连续梯度的电极由于其相对于多层梯度电极能更加有效地缓解电极和电解质的热失配及改善界面黏接而受到特别的关注.本文通过建立含连续梯度的阳极功能层的阳极支撑固体氧化物燃料电池的力学模型,研究了连续梯度的阳极功能层对阳极支撑固体氧化物燃料电池半电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响.结果表明电池的曲率在初始还原过程中随还原程度的增大而逐渐增大.连续梯度的阳极功能层的引入不能同时改善电池的曲率和残余应力,即连续梯度的阳极功能层在缓解应力的同时会导致曲率的增大,反之亦然.含有连续梯度的阳极功能层的电池在部分还原状态下,梯度层/阳极支撑界面处具有最大的拉应力容易导致电池受损,实际中应保证电池被完全还原.

连续梯度阳极功能层的引入对阳极支撑固体氧化物燃料电池的力学性能影响

通过建立含连续梯度的阳极功能层的阳极支撑固体氧化燃料电池力学模型,研究了连续梯度的阳极功能层的引入对阳极支撑固体氧化物燃料电池的力学性能影响。结果表明,阳极层应力随着梯度层厚度的增加而增大,而电解质层和阴极层应力随之减小;同时,梯度指数也影响电池曲率的变化,电池曲率随着梯度指数的增大而减小;此外,本文也探讨了通过引入韦伯统计来预测电池阳极的失效概率。

功能梯度夹层多个环形界面裂纹扭转冲击

研究位于功能梯度层和外部均匀材料之间多个环形界面裂纹的扭转冲击问题，功能梯度材料(FGM)粘结在两种不同的弹性材料之间，功能梯度层和外部材料之间环形界面裂纹的数目是任意的．引进积分变换和位错密度函数将问题化为求解 Laplace 域里标准的 Cauchy 奇异积分方程，进而化为求解代数方程；应用 Laplace数值反演技术，计算时域里的动应力强度因子(DSIF)．考查了结构几何尺度和材料特性对裂尖动态断裂特性的影响．数值结果表明，DSIF 存在一个主峰，到达主峰后，在其相应的静态值附近波动并最终趋于稳定；增加 FGM 的梯度能减小 DSIF 的峰值．

Cu/WC_p叠层功能梯度材料疲劳裂纹扩展速率的数值模拟

本研究基于FRANC2D(Fracture Analysis Code in 2Dimensions)二维断裂分析有限元软件,并结合大型有限元软件ABAQUS,对Cu/WCp双层及多层功能梯度材料的疲劳裂纹扩展进行数值模拟研究,控制疲劳裂纹沿不同梯度方向扩展,计算出裂纹扩展中的应力强度因子幅(ΔK),绘制出疲劳裂纹扩展速率曲线,以及裂纹扩展速率和裂尖距界面距离l的关系曲线(da/dN-l),将模拟计算结果与试验结果进行对比分析。研究表明:结合FRANC2D和ABAQUS的数值模拟方法,在比较复杂的叠层功能梯度材料有限元模型建立中具有很大的优势,可以快速地计算功能梯度材料的应力强度因子值;发现材料梯度层间界面的存在以及材料梯度含量的变化,对功能梯度材料裂纹扩展的整个阶段都存在很大影响;梯度层的数量对功能梯度材料的疲劳裂纹扩展速率也有一定影响。

功能梯度层合板的主共振

以中间层为基体材料、上下层为对称的功能梯度材料组成的层合板为研究对象,根据大挠度理论和薄板变形理论,利用Hamilton原理和Rayleigh-Ritz法推导出了在简谐机械力作用下功能梯度层合薄板的非线性振动方程。利用多尺度法对非线性振动方程进行求解,得到了层合板的幅频响应方程。利用Matlab探讨了不同边界条件下的层合板的主共振问题,通过改变阻尼、机械力等的大小来分析这些因素对主共振的影响。

全瓷修复体界面仿生功能梯度层的优化设计

目的探讨全瓷修复体界面仿生功能梯度层优化设计方案。方法建立双层瓷/仿生功能梯度层/粘结剂/牙本质基底的三维平面有限元模型,根据所采用的核瓷材料的不同分为实验Ⅰ组(核瓷为氧化锆)和实验Ⅱ组(核瓷为二烯酸铝),进行三维有限元力学分析,并采用ANSYS软件中的一阶方法对功能梯度层弹性模量的梯度变化进行优化计算分析。以双层瓷/粘结剂/牙本质基底的三维平面有限元模型作为对照。结果实验Ⅰ组功能梯度层中最大主应力为23.028 6 MPa,应力分布均匀且平稳过渡;而对照组在核瓷底部出现了应力集中,最大主应力值为100.25 MPa。实验Ⅱ组功能梯度层中最大主应力为15.966 5 MPa,应力分布均匀且平稳过渡;而对照组在核瓷底部出现了应力集中,最大主应力值为73.884 MPa。分别得到了实验Ⅰ、Ⅱ组功能梯度层内弹性模量梯度变化的优化曲线。结论仿生界面功能梯度层能有效降低全瓷修复体核瓷底部的应力集中,其内部弹性模量的梯度变化存在优化方式。

三维曲面全瓷修复体界面仿生功能梯度层优化设计

目的:探明全瓷修复体界面仿生功能梯度层优化设计方案。方法:建立双层瓷、仿生功能梯度层、粘结剂、牙本质基底的三维曲面有限元模型。在垂直加载和斜向加载两种情况下进行三维有限元力学分析,并采用ANSYS软件中的一阶方法对功能梯度层弹性模量的梯度变化进行优化计算分析。结果:实验一组(核瓷为氧化锆),垂直加载时功能梯度层中最大主应力为76.70MPa,斜向加载时功能梯度层中最大主应力为31.80MPa,应力分布均匀;而对照组,在核瓷底部出现了应力集中,垂直加载和斜向加载时最大主应力值分别为121.90MPa和63.82MPa,实验组的最大主应力在垂直加载和斜向加载时分别下降37.07%和50.18%。实验二组(核瓷为二烯酸铝),垂直加载时功能梯度层中最大主应力为62.93MPa,斜向加载时功能梯度层中最大主应力为24.88MPa,应力分布均匀;而对照组,在核瓷底部出现了应力集中,垂直加载和斜向加载时最大主应力值分别为70.19MPa和55.26 MPa,实验组最大主应力在垂直加载和斜向加载时分别下降了10.34%和54.98%,本实验分别得到了实验一、二组功能梯度层内弹性模量梯度变化的优化曲线。结论:仿生界面功能梯度层能有效降低全瓷修复体核瓷底部的应力集中,其内部弹性模量的梯度变化存在优化方式。

离心铸造制备Al－Fe系金属间化合物梯度功能材料的组织及耐磨性的研究

过渡性金属与Ａｌ形成的金属间化合物具有极好的耐热、耐蚀、耐磨性。利用过渡性金属与Ａｌ间的密度差，采用离心铸造工艺，通过控制凝固温度场、凝固速度和溶质传输，可获得铸件表面层主要由初晶金属间化合物组成的耐磨、耐热、耐蚀的梯度功能层。给出了制配参数；分析了离心转速、合金化学成分对梯度功能层组织的影响；检测了金属间化合物、成分及硬度的分布，并讨论了三者与耐磨性的关系及形成梯度功能层的机理。

激光选区熔化成型多层结构功能梯度材料的界面组织和性能

功能梯度材料(FGM)可以在零件的不同区域定制其特性,例如耐磨性、耐腐蚀性和环境适应性。激光选区熔化(SLM)在制造FGM上具有出色表现,故本文采用SLM技术制备了316L/CuSn10/18Ni300/CoCr四种材料的FGM,研究了FGM的微观结构和性能,以揭示SLM加工参数对缺陷的影响。在316L/CuSn10界面处发现了许多微裂纹,这些裂纹自316L区域的熔合边界萌生并沿成型方向延伸。18Ni300/CoCr熔合区的弹性模量和纳米硬度显着下降,低于18Ni300和CoCr区域的弹性模量和纳米硬度。铁元素和铜元素在316L/CuSn10熔合区充分扩散,而CuSn10/18Ni300和18Ni300/CoCr熔合区中的元素则表现出明显的梯度转变。与其他区域相比,CuSn10/18Ni300界面和CuSn10区域具界面结合区域有明显的尺寸膨胀。最后,本文重点讨论了316L/CuSn10界面处的材料熔合和裂纹形成的机理。发现仅通过改变316L和CuSn10的沉积顺序就可以成型没有宏观裂纹的FGM,这为FGM的增材制造提供了指导。

功能梯度双材料复合悬臂梁受集中剪力作用的弹性力学解

采用应力函数的方法,求解了功能梯度双材料层合悬臂梁在端部受集中剪力作用下的弹性解.该梁中含有两个功能梯度层,每层的弹性模量均可以沿厚度方向独立变化,对任意的变化梯度均成立,当退化至各向同性材料时,与已有的单层悬臂梁理论解一致.该方法具有一般性,可推广至功能梯度夹芯梁的求解.

功能梯度主轴承的热弹流润滑特性耦合分析

为了对包含功能梯度层的主轴承热弹流润滑耦合特性进行研究,以柴油机主轴承为研究对象,基于格点型有限体积法离散瞬态雷诺方程、热传导方程和热弹性方程,对于离散后的代数方程组采用多重网格法求解,能量方程采用差分法求解,进而得到轴承的油膜润滑特性及轴瓦热弹性结果,通过对比研究发现:功能梯度层可以有效缓解材料分界面附近的应力突变现象;材料指数的增大会使功能梯度层的物性参数变化更均匀,从而使最大油膜压力、最大油膜温度及材料分界面处的应力等出现一定程度的降低.

不锈钢表面含Cu功能梯度复合改性层的制备及抗菌性能

为提高奥氏体不锈钢(ASS)的耐磨性及赋予其抗菌性能,应用改进的活性屏离子渗氮(ASPN)技术,将纯铜冲孔板置于不锈钢冲孔板上面作为活性屏的顶盖,对316奥氏体不锈钢在低温下(430℃)进行表面渗氮处理,在其表面形成由含Cu抗菌沉积层和S相(氮在奥氏体中的过饱和固溶体γN)硬质支撑层组成的功能梯度复合改性层。用扫描电镜(SEM)及其所附能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)表征复合改性层的组织形貌、成分及相结构。用显微硬度计和往复摩擦磨损试验机测试了基体和复合改性层的显微硬度和摩擦磨损性能,用金黄色葡萄球菌进行体外抗菌试验评价复合改性层的抗菌性能。结果表明,在偏压达到250 V后,形成了连续分布的硬质S相扩散层和含Cu沉积层组成的复合改性层。改性层表面最高硬度可达928 HV0.05,与Si_(3)N_(4)小球对磨时比磨损率较基体降低约57.76%,显著提高了不锈钢的耐磨性。抗菌试验表明,复合改性层与金黄色葡萄球菌接触24 h后,对金黄色葡萄球菌抗菌率提高到98.5%。改进的活性屏离子渗氮技术制备的功能梯度复合改性层可以有效提高不锈钢的耐磨性及抗菌性能。

梯度复合板界面对Ⅲ型内部周期裂纹影响

讨论在反平面载荷作用下功能梯度复合板条断裂问题,复合板由两类不同的功能梯度板条弱间断粘接而成,一个板条中存在内部周期裂纹。采用有限傅里叶变换和Hilbert核奇异积分方程方法求解该断裂问题。通过讨论断裂参数的数值解,分析了功能梯度非均匀参数,功能梯度层厚度,裂纹与界面间距以及周期带长等对应力强度因子的影响。

非理想界面功能梯度压电/压磁层状半空间结构中的SH波

研究非理想界面下功能梯度压电/压磁层状半空间结构中SH波的传播特性。界面性能由"弹簧"模型表征,假设功能梯度压电层材料性能沿层厚度方向指数变化,其表面为电学开路。推导了频散方程,并结合数值算例分析了界面性能、功能梯度压电层的梯度变化和厚度对相速度的影响。研究结果对功能梯度压电/压磁复合材料在声波器件中的应用提供了理论依据。

多尺度强韧化碳基润滑薄膜的研究进展

随着海洋、空间、核能等苛刻环境工况下机械装备的发展,兼具高硬度、高承载能力、良好韧性及优异摩擦磨损性能的强韧化复合碳基润滑薄膜成为类金刚石薄膜的研究重点。文中系统归纳和评述了碳基薄膜的多元/多相复合、梯度多层、纳米多层、微/纳表界面织构化等强韧化关键技术及其强韧化机制。包括纳米晶—非晶复合结构的界面强化效应和晶界滑移强韧化;功能化梯度/多层结构膜基界面匹配、应力缓冲和微裂纹抑制强韧化;纳米晶—非晶类石墨结构、类富勒烯结构以及微/纳表面织构强韧化机制等。这些技术大幅改善了类金刚石薄膜的韧性,提高了薄膜抗疲劳磨损性能,使其能有效应用于水润滑、油润滑、高温、真空、特殊气氛以及沙尘等极端苛刻环境。文中指出强韧化碳基薄膜将向着应对极端苛刻环境的多尺度复合强韧化、适应复杂多变环境的智能化,以及满足未来空间需求的超长寿命方向发展。