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功能梯度材料梁、壳结构的静态力学响应

张靖华  
【摘要】:本文研究了功能梯度Timoshenko梁和扁薄锥壳结构在变温场作用下的几何 非线性静态响应问题。主要内容包括以下几个方面: 1. 介绍了功能梯度材料(FGMs)的性质、特点及其在现代科技和工程中的应 用。在查阅大量文献的基础上,总结了近几年国内外研究人员对这种材料结构力 学行为的研究成果,特别是对FGM梁、板(壳)结构在机械和热载荷作用下的 宏观力学响应研究现状和最新进展进行了详细说明。 2. 基于轴线可伸长和横向可剪切的几何非线性理论,采用打靶法研究了功 能梯度材料Timoshenko梁在横向非均匀升温下的静态热屈曲和热过屈曲响应。 在精确考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形的基础上,建立了功能梯度材料 Timoshenko梁在热-机载荷同时作用下的大变形控制方程。其中,功能梯度材 料梁的材料性质采用了沿厚度方向按照幂函数形式连续变化的形式。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载荷作用下两边固支 Timoshenko梁的静态非线性屈曲和过屈曲数值解。绘出了梁的挠度随温度载荷 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。研究结果表明,由于材料在横向的非均匀性,变形过程中存在 拉-弯耦合效应。 3. 研究了陶瓷/金属FGM扁薄锥壳在横向非均匀温度场中的几何非线性大 变形问题。在假设材料的物性参数只沿厚度按幂函数均匀变化的前提下,基于 Kirchhoff直法线假设和von Karman几何非线性理论推导出了以中面位移为基本 未知量的功能梯度材料扁薄锥壳在横向非均匀热载荷作用下的轴对称大挠度控 制方程。采用打靶法数值求解所得非线性常微分方程边值问题,得到了扁锥壳在 静态温度载荷作用下大挠度弯曲变形数值解。给出了壳体变形随壳体的形状参 数、载荷和材料参数变化的特征关系曲线,重点分析和讨论了温度参数和材料梯 度参数对变形的影响。


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