两层FeSi_2非均匀掺杂梯度材料热电性能研究

采用场激活方法合成掺杂浓度不同的两层非均匀梯度13相FeSi2,用波谱分析了掺杂在两层界面 处的分布,并测量了Mn掺杂丰口Co掺杂的两层非均匀掺杂梯度材料的Seebeck系数和电导率,计算了功率 因子。与相应的均匀材料相比,这种结构具有调节热电性能与温度分布的能力。

多层与梯度非均匀材料弹性力学问题解析解的简明数学理论

扼要介绍笔者最近20a研究出的一种简明数学理论,此理论可广泛适用于推导功能梯度包括多层非均匀材料中三维弹性力学问题的解析解。此种梯度非均匀材料在工程和科学各领域有广泛应用。也介绍一些应用此理论的成果,这些应用包括弹性动力学、热弹性力学、煤层开挖引起的地表移动、道路结构设计和强度评价、静力触探、土-水耦合固结基础沉降以及断裂力学。

横向非均匀温度场作用的FGM夹层梁热屈曲分析

基于经典几何非线性梁理论,推导了受横向非均匀升温作用的FGM夹层梁热屈曲控制方程。对于端部夹紧边界条件梁,随着温度升高,梁发生分支屈曲,考虑到分支屈曲临界状态变形较小,将非线性边值问题退化成线性特征值问题,通过求线性特征值问题,得到了有量纲临界屈曲温度差解析解。另外,运用打靶法计算非线性边值问题,得到了热过屈曲平衡路径和平衡构型。利用算例探究层厚比、梯度指数、温度场级数项数目对FGM夹层梁热过屈曲平衡路径和平衡构型的影响。结果表明:当梯度层相对厚度和梯度指数增加时,FGM夹层梁临界屈曲温度差均增加。

梯度涂层材料中裂纹问题的非均匀元分析

本文采用非均匀等参有限元的方法研究了薄膜梯度涂层/均匀基材中的界面裂纹问题,并与双材料界面裂纹情况进行了对比计算。研究表明:在均匀基材上采用梯度涂层,与双材料相比可以有效地降低裂尖场应力强度因子;同时还分析了涂层厚度与梯度参数对界面应力强度因子的影响。结果表明:当薄膜厚度大于或等于裂纹长度时,应力强度因子(KI、KII)对其尺度的变化显得不敏感;对梯度参数的影响而言,当材料性能曲线的幂指数m大于1时,裂尖场的应力强度因子KII相对KI很小且基本不随m变化,因此裂尖场与均匀材料情况类似;当m小于1时,应力强度因子KII随m减小而急剧增大,裂尖场由KI及KII控制,断裂趋于混合型。

非均匀温度场下变物性二维功能梯度材料板的瞬态热应力分析

研究了非均匀温度场下变物性二维功能梯度材料板的瞬态热应力分布问题。并且建立了Al1100-Ti6Al4V-ZrO_2的二维功能梯度材料板的结构模型,构造了二维功能梯度板的有限元求解方法,计算得到了:1)二维功能梯度材料板在不同时刻的瞬态热应力分布规律;2)变物性(组分系数沿板长度和宽度方向变化)二维功能梯度材料板的瞬态热应力分布;3)非均匀温度场下(线性温度分布、非线性温度分布及周期性温度分布)的二维功能梯度材料板的瞬态热应力分布。

沿厚度非均匀复合材料的动态断裂力学研究

对于非均匀复合材料中多个裂纹的动态断裂力学问题，提出了一种分析方法，假设复合材料为正交各向异性并含有多个垂直于厚度方向的裂纹，材料参数沿厚度方向为变化的，沿该方向将复合材料划分为许多单层，假设单层材料参数为常数，Ｆｏｕｒｉｅｒ变换法，在Ｌａｐｌａｃｅ域内推导出了控制问题的奇异积分方程组，并用虚位移原理求解，然后利用Ｌａｐｌａｃｅ数值反演，得出了裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率．作为算例，研究了带有两个裂纹的基底／功能梯度薄膜结构，分析了材料参数的优化对降低应力强度因子的意义．

基于非均匀光滑有限元法的功能梯度压电梁自由振动分析

为了提高求解功能梯度压电材料动响应的精度,克服有限元系统刚度偏硬的缺点,提出非均匀Cell-based光滑有限元法。基于单元的梯度光滑操作,考虑材料物性沿宽度方向呈梯度连续变化,推导非均匀Cell-based光滑有限元法的基本公式,分析功能梯度压电悬臂梁的材料物性参数遵循不同梯度分布规律时结构自由振动的固有频率与振型,并与FEM求解结果进行对比。研究结果表明:光滑梯度操作可降低有限元系统的刚度,非均匀Cell-based光滑有限元法的数值解更加接近真实解,从而可为功能梯度压电材料的进一步应用提供参考。

基于非均匀光滑有限元法的含圆孔功能梯度压电板应力和电场集中因子分析

为提高含圆孔功能梯度压电板应力和电场集中因子的求解精度,提出含圆孔功能梯度压电板的力电耦合非均匀基于单元的光滑有限元法。采用高斯点处的真实材料属性进行计算,分析材料属性按某一方向呈指数函数梯度变化时含孔功能梯度压电板应力和电场集中因子,并与非均匀有限元求解结果进行对比。研究结果表明:该方法求解力电耦合作用下功能梯度压电板的应力集中因子和电场集中因子具有较高的精度。

梯度非均匀有限层-基结构界面裂纹动态断裂的数值分析

研究了具有一个界面裂纹的有限尺寸梯度非均匀层-基结构在面内冲击载荷作用下的动态响应问题;提出了分析这类问题的一种数值方法,其核心是计算具有一定宽度的裂缝位移场,通过对到缝端距离及缝宽的双重插值求裂尖处动态应力强度因子。文中对涂层是弹性模量及密度连续变化的梯度非均匀材料,基体是各向同性均匀材料的层-基结构作了具体计算,数值结果清楚地显示出动态应力强度因子的时程变化规律,及有关参数(梯度参数,层厚,层长)对它的影响。

横向非均匀温度场作用的FGM夹层圆板热屈曲分析

基于von Kármán几何非线性板理论,导出了受横向非均匀温度场作用的幂律型功能梯度材料(FGM)夹层圆板的位移型几何非线性控制方程.考虑不可移夹紧边界条件,通过求解线性特征值问题,得到了系统的有量纲临界屈曲温度差解析公式.另外,运用打靶法计算了非线性常微分方程两点边值问题.考察了几何参数、组分材料特性、梯度指数、温度场参数和层厚比对FGM夹层圆板的临界屈曲温度差、热过屈曲平衡路径和平衡构形的影响.当厚径比、梯度层相对厚度和梯度指数增加时,FGM夹层圆板临界屈曲温度差均单调增加;当半径和总厚度给定时,随FGM层相对厚度增加,FGM夹层圆板后屈曲变形显著减小.

介电泳自组装构筑自适应介电梯度材料:原理与应用

绝缘器件内电场分布不均是影响高压绝缘设备绝缘性能的重要问题。文中研究了介电泳自组装构筑自适应介电功能梯度材料,提出了一种“以电治电”的梯度绝缘件的制备方法。通过有限元仿真研究了一维填料自组装的5个阶段以及不同状态下的等效介电常数。结果表明,一维填料颗粒越趋向电场方向,其内部的电位移模量越大,宏观上表现为等效介电常数增大。同时,建立了液态预聚物复合绝缘部件介电常数在非均匀电场中的时空演变模型,并对针板电极的仿真结果进行了分析。研究发现,原位辅助电场能有效缓解局部电场,提升整体电场均匀性。相容系数越高,可获得的最优电场均匀性越高,但也会增加电介质损失率,并且均化效果的边际效应下降。

基于力电耦合效应的非均匀压电材料断裂问题研究

作为一种智能材料,非均匀压电材料广泛应用于航空航天、军事等领域,由于其脆性,材料中的微裂纹对结构寿命影响较大。基于非均匀压电材料的本构关系,几何关系和边界条件,利用分层法的原理进行材料的梯度划分,分析了力电耦合效应下非均匀压电材料中的断裂问题。建立含裂纹非均匀压电板的有限元模型,讨论了力电耦合效应下不同梯度参数、不同裂纹形状、不同裂纹尺寸以及不同梯度函数对裂纹周围应力和电位移分布的变化规律。首次提出几何过程函数来进行非均匀材料属性的调控,实现材料参数的随机递增/随机递减。数值结果给出了在力电耦合效应下,裂纹周围应力和电位移的分布规律;梯度参数的增大使裂纹周围应力和电位移增大;裂纹几何尺寸变小,裂纹周围应力增大而电位移减小且椭圆形裂纹周围应力要大于圆形裂纹。因此,在非均匀材料结构设计中,梯度参数应在可使用范围内选取较小值;选择不同梯度函数的对裂纹周围的应力和电位移有一定影响,这对于非均匀压电材料结构设计及实际应用起到借鉴作用。

考虑制备工艺的功能梯度材料零件设计建模

鉴于形状不规则及材料分布复杂的功能梯度材料零件,难以寻找合适的材料分布函数描述材料体积分数与几何形状之间的映射关系;几何空间与材料空间割裂增加了零件设计建模难度,阻碍了模型在后续设计、分析和制造中的传递。提出考虑制备工艺的功能梯度材料建模思想。定义了零件几何与材料信息载体,采用参数化的非均匀有理B样条实现了几何材料耦合表示;从功能梯度材料零件制备工艺中挖掘出能用于设计建模的物理原理,建立了以泊松方程为数学模型的材料分布函数,将设计建模转化为一般偏微分方程边值问题;结合等几何分析法对模型进行求解,实现了几何空间与材料空间的整体表达。通过实例证明了所提方法的有效性和可行性。

功能梯度材料的弹性断裂分析

功能梯度材料是一种新型材料,其特点是组分、结构和物性参数都呈梯度变化。功能梯度材料的断裂分析属于非均匀材料断裂力学的范畴。结合最新的研究成果,从裂纹尖端渐近场、应力强度因子、断裂失效准则和动态断裂问题4个方面,全面阐述了功能梯度材料弹性断裂分析的研究方法、进展和主要结论。特别是给出了类似于均匀材料Williams解的功能梯度材料裂纹尖端应力场,明确反映出了材料非均匀性对裂纹尖端应力场结构的影响。该解具有普遍的意义,可以作为功能梯度材料数值和实验方法(如边界配位法和高阶近似法)的基础。

梯度功能材料热弹性应力的研究进展

介绍了近年来国外有关梯度功能材料热弹性应力问题的最新研究进展,评述了所来用的研究方法的特点。

基于线法的功能梯度材料断裂分析

为了克服材料非均匀性引起的数值困难,一种半解析数值方法——线法,被引入功能梯度材料的断裂分析。通过有限差分将问题的控制方程半离散为定义在沿梯度方向离散节线上的常微分方程组,然后应用B样条高斯配点法求解该常微分方程组。为了演示线法功能梯度材料断裂分析的方法,给出了指数梯度含裂纹功能梯度材料板分别在恒定位移、弯曲载荷作用下应力强度因子的数值算例,同时给出了节线和配点局部加密、区间映射以及变间距离散等提高计算精度和效率的线法断裂分析技巧。与相关问题理论解的对比分析表明,该法的计算结果具有很高的精度。

梯度功能材料热弹性力学问题计算方法

介绍了有关梯度功能材料热弹性力学问题的最新研究方法。

功能梯度材料中反平面Yoffe型运动裂纹

用积分变换方法研究了功能梯度弹性材料中反平面Yoffe型运动裂纹问题，首先采用余弦变换求解功能梯度材料的基本方程，然后根据混合边值条件建立Yoffe型运动裂纹的对偶积分主程，再把对偶积分 程化为第二类Fredholm积分方程，文末的数值算例表明功能梯度材料的梯度参数及裂纹的运动速度对动应力强度因子有较大的影响。

功能梯度材料板断裂分析

为深入理解功能梯度材料的断裂行为,研究了机械载荷下任意机械属性功能梯度材料板裂纹尖端特性,根据叠加方法,把应力场转化为裂纹表面载荷,采用基于非均匀单元的有限元方法计算并分析了机械载荷下功能梯度板裂纹尖端特性,针对含有中心裂纹功能梯度材料板,考察了应力强度因子的变化规律.研究结果表明,功能梯度材料结构的几何参数及材料属性对裂纹尖端无量纲应力强度因子的变化规律具有显著影响.

界面区组分对层状水泥基材料力学行为的影响

研究了界面区组分的梯度分布对水泥基材料层状结构力学性能的影响,在非均匀应变模型的基础上,讨论了界面区组分梯度变化所表现的界面应力行为.结果表明,界面区组分梯度分布可以有效缓解界面残余应力,从而明显改善结构整体的力学行为.