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关键词： 功能梯度复合材料   应力适应性   耐温性   隔热性能   功能层   背温  

摘要： 基于航空航天热防护技术对多功能隔热材料的需求，制备了由力学缓冲层、高温隔热层和核心隔热层构成的功能梯度复合材料，材料应力适应性强、耐温性高、隔热性能优异。通过模拟计算的方法对复合材料的隔热性能进行研究，结果表明，30mm厚的复合材料在1000℃、1000s的热载荷下隔热性能优异，各功能层厚度影响复合材料的传热背温。随着力学缓冲层/高温隔热层相对厚度的增大，复合材料背温和核心隔热层热面温度均增大，由于核心隔热层耐温极限的限制，力学缓冲层厚度最大为12mm，此时复合材料背温为26.10℃。力学缓冲层/核心隔热层、高温隔热层/核心隔热层相对厚度增大时，复合材料背温增大，核心隔热层热面温度减小，力学缓冲层的厚度最小为6mm，此时复合材料背温为20.21℃，高温隔热层的厚度最小为10mm，此时复合材料背温为22.58℃。

关键词： 尺度效应   碳纳米管   功能梯度复合材料   热行为   黏弹性地基  

摘要： 建立了考虑碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)尺度效应的宏观功能梯度碳纳米管增强复合材料(Functionally Graded Carbon Nanotubes Reinforced Composites,FG-CNTRCs)圆柱壳自由振动特性的理论模型.综合考虑CNTs的取向和尺度效应,基于Eshelby-Mori-Tanaka(EMT)方法和非局部理论建立了宏观CNTRCs的非局部EMT本构模型.基于Kirchhoff-Love圆柱壳假设,采用Hamilton原理推导了热环境中visco-Pasternak基体中FG-CNTRCs圆柱壳的自由振动控制方程,利用Navier法得到两端简支圆柱壳的固有频率,并与文献中结果进行对比,验证了模型和方法的正确性.分析了非局部参数、CNTs的体积分数和分布方式、圆柱壳的长厚比、环境温度以及地基参数等对简支FG-CNTRCs圆柱壳自由振动特性的影响.研究发现,考虑CNTs的尺度效应后会降低FG-CNTRCs圆柱壳的抗弯刚度,环境温度对简支FG-XCNTRCs圆柱壳固有频率虚部的影响随CNTs体积分数的增大而增大,且长厚比和地基的阻尼参数对虚部的影响有耦合作用.

关键词： 主动混合喷头   螺杆结构   功能梯度复合材料   结构设计   参数优化  

摘要： 以高黏度材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)和碳化硅(SiC)粉末混合液为例,利用流体动力学仿真模拟,设计并优化主动混合喷头。仿真分析不同螺杆结构对主动混合喷头混合效果的影响,选定双向四螺旋螺杆结构,同时探究了螺杆长度、螺杆与腔体间隙等结构参数对混合效果的影响规律,确定螺杆长度为12 mm、螺杆与腔体间隙为0.2 mm;优化了该结构的转速、入口速度等工艺参数,确定转速为60 r/min、入口速度为1 mm/s。此外分析了该结构在不同材料体积配比下均可进行有效混合。最后,通过打印试样,验证了该主动混合喷头能够实现复合材料的有效混合。

关键词： 应变梯度理论   功能梯度复合材料   弹性地基   自由振动   孔隙率  

摘要： 为了体现弹性地基对功能梯度材料(functionally graded materials, FGMs)纳米圆柱壳力学特性的影响并考虑到FGMs结构中可能存在的孔隙,基于Mindlin应变梯度理论,建立了弹性地基上包含尺寸效应的多孔FGMs一阶剪切变形纳米壳的力学模型,这种非经典的连续介质力学纳米壳模型利用材料长度尺度参数捕捉尺寸效应。通过Hamilton变分原理得到了系统的运动微分方程,采用Navier法获得了FGMs纳米壳固有频率的解析解,研究了Winkler弹性地基上多孔FGMs纳米壳的自由振动特性。结果表明,FGMs纳米壳孔隙率的增加会导致固有频率显著降低;Winkler弹性地基增加了FGMs纳米壳的有效刚度,且纳米壳的固有频率随着Winkler弹性常数的增加而增加;随着无量纲材料长度尺度参数的增加,基于非经典连续介质力学模型得到的纳米壳固有频率逐渐收敛于基于经典模型得到的结果。提出的建模方法可以为纳米圆柱壳的相关科学研究提供借鉴和参考;研究结果可以为相关工程设计提供依据。

关键词： 功能梯度复合材料   螺栓连接   渐进失效   拉脱破坏  

摘要： 对面外钉载作用下纤维金属层合板螺接结构拉脱失效机理进行了研究,考查了纤维铺层方向和金属体积分数对其拉脱性能的影响。基于应变形式的Hashin失效准则、金属延性断裂准则及层间内聚力本构模型,建立了复合材料连接结构三维渐进失效模型。通过有限元仿真方法,预测了螺接结构的拉脱强度,并基于试验验证了数值模型的可靠性。研究结果表明,拉脱载荷作用下,复合材料开孔区域逐渐呈锥形隆起,最终螺栓嵌入纤维金属层合板导致螺接结构承载失效,拉脱失效特征与冲击破坏相似。铝锂合金的压溃破坏及纤维金属界面的层间分离是结构拉脱破坏的主要机理。螺接结构刚度折减至亚临界损伤值后,受材料压缩效应,刚度出现二次升高趋势。纤维沿±45°方向对称铺层下的纤维金属层合板正交性最高,拉脱强度最大。螺接结构拉脱极限载荷与金属体积分数成正比。

关键词： 功能梯度复合材料   弹塑性冲击响应   颗粒尺寸效应   应变率依赖增强连续模型  

摘要： 金属陶瓷功能梯度材料（FGM）是由陶瓷到金属的功能梯度层组成的复合材料由于其梯度层状结构结合了陶瓷和金属的优越性能。富含陶瓷的一侧应对冲击提供了良好的保护,而富含金属的一侧提供韧性以尽可能长时间地保持结构的完整性。金属陶瓷功能梯度材料以及功能梯度夹心增强结构由于其优异的抗冲击性以及高强度和刚度而广泛用于航空航天,核工业和机械工业。工程结构在制造、使用和维修过程中会遇到冲击载荷,传统金属及金属合金的弹塑性变形和损伤可以通过目测表面的方法来发现。然而,功能梯度材料表现出有限的塑性变形,由于冲击能量转换为损伤的形式,如分层、基体开裂或纤维断裂等,不允许目视检查。所以其冲击响应分析对于航空航天,核工业和机械工业中先进抗冲击结构的设计非常重要。本文对金属陶瓷功能梯度材料的冲击响应进行了研究。在这项研究中,通过有限元模拟对在低速冲击载荷作用下的功能梯度材料的弹塑性行为进行了分析。模拟试验中发现使用传统的功能梯度材料本构模型进行的有限元分析,往往会和实际的实验结果有差别,这可能是由于传统模型没有考虑金属相和陶瓷相之间的热膨胀系数（CTE）不匹配产生的强化效应,本文开发了基于位错的功能梯度材料本构预测模型。采用Mori-Tanaka方案确定了功能梯度板的有效线性弹性性能。通过结合Taylor位错模型和Tamura-Tomota-Ozowa（TTO）模型,明确地解释了由于几何必须位错（GNDs）和塑性应变梯度（PSG）在金属陶瓷功能梯度板冲击分析中的强化效应。进一步通过结合Johnson-Cook（J-C）模型,研究了在金属陶瓷功能梯度板的冲击分析中与应变率相关的强化。利用所开发的考虑颗粒尺寸和应变率耦合效应的增强连续模型对复合材料的低速冲击性能的进行了研究。对落锤冲击实验进行了数值模拟及分析。在不同的冲击速度下研究了具有微米级粒径的SiC/Al功能梯度板的弹塑性冲击响应。模拟实验结果表明,颗粒尺寸对FG圆形板弹塑性反应关系密切,由于颗粒尺寸的影响,所提出的模型在进行分析时更加的准确和有效。传统的模型预测的冲击压痕的直径,往往与实际情况有很大的差异,而研究表明,导致该差异的主要原因是传统的塑性理论没有考虑SiC颗粒尺寸效应以及冲击时的应变率相关强化效应。

关键词： 功能梯度复合材料   无网格kp-Ritz法   碳纳米管   石墨烯   振动   屈曲  

摘要： 功能梯度复合材料是一种结构组成沿厚度方向阶梯性变化的材料,因此材料的不同部位具有不同的使用性能,使其更加适应材料的工作环境。功能梯度复合材料结构、性能的可控性以及较高的机械强度、抗热冲击、耐高温性能决定了其有广泛的应用领域和良好的应用前景。本文采用了无网格kp-Ritz法进行了功能梯度复合材料的力学分析。基于再生核质点法,构建形函数。为了使形函数满足Kronecker delta属性,我们采用完全变换法来施加边界条件。本文的研究主要分为两部分:1.包含碳纳米管增强功能梯度(CNTR-FG)层和纤维增强复合材料(FRC)层的混合层合板的振动分析;2.功能梯度石墨烯增强复合材料(GRC-FG)层合板的屈曲分析;具体工作概括如下:(1)研究了包含CNTR-FG层和FRC层的混合层合板在瞬时动载荷作用下的振动特性。通过MATLAB软件编程计算得出各种条件下混合层合板受载荷作用下的横向位移。并分析了碳纳米管的体积分数、层合板宽高比、层合板长宽比、碳纳米管分布形式和边界条件对层合板振动行为的影响。(2)考虑到边界温度的影响,研究功能梯度石墨烯增强复合材料层合板在不同类型轴向压缩情况下的屈曲行为。通过MATLAB软件编程计算得出各种条件下层合板在不同轴向压缩情况下的屈曲载荷因子。并分析了边界温度、石墨烯分布形式、层合板长宽比、宽高比、层数和边界条件对层合板屈曲行为的影响。

关键词： 轻外壳   IMLS-Ritz法   功能梯度复合材料   碳纳米管   弹性动力学分析  

摘要： 因为人类社会发展的需要,对陆地资源的不断开发使得资源出现短缺等现象,随着科技的进步,人类逐渐将探索资源的目光转移到海洋,渐渐对于海洋的开发力度也在不断增大着,而我们知道深海载人潜水器是人类进行海洋探索的重要工具,并且它在海洋开发过程中的地位不可替代。就在深海潜水器一次又一次在挑战着极限,不断创造着“中国深度”的同时,深海载人潜水器结构中,除了耐压壳外还有一种非耐压壳结构的存在,那就是轻外壳,而在对它进行实验前布放以及实验结束进行回收的过程中很容易处于危险受力的状态,以及在水面上承受海浪拍击力作用,甚至是在操作不适当及恶劣海况下,也有可能会有与母船产生碰撞的情况出现,因此要求轻外壳能够抵抗一定强度的撞击。作为轻外壳的一般制作材料玻璃钢,它的构成是由合成树脂作为基体材料,玻璃纤维或者是它的成品作为增强材料的一种复合材料。但由于其较低的弹性模量使得在受到很大外力负载时材料结构刚性不足,容易变形或者断裂,其较低的层间剪切强度则容易使得材料的层间遭到破坏,这都将是影响深海载人潜水器下潜深度以及安全性能的重要因素。碳纳米材料作为一种新型材料,其中碳纳米管在物理以及化学方面的性能优势,一向被认为是复合材料的理想增强材料。因此将碳纳米管作为增强材料加入玻璃钢制作的轻外壳基体材料中可融合得很好。而作为碳纳米管力学性能的重要参数,杨氏弹性模量为0.15-4.84TPa,层间剪切强度高达500MPa,依据以上这些碳纳米管的特性,可知其具有优异的物理方面和化学与电化学方面的性能,因此被认为是复合材料的理想增强相。由于功能梯度材料的功能优异以及设计思想新颖,增强效果可以最大限度地体现出来。碳纳米管在功能梯度复合材料中的分布主要分为均匀分布UD,三种功能梯度分布O型FG-O,V型FG-V以及X型FG-X,本文中主要针对三种分布UD,FG-O,FG-X进行研究。无网格法的问题域由一系列任意分布的节点来代替,不需要单元或者网格来进行场变量插值,也不需要描述节点之间的关系,计算量小,边界条件处理简单。形成无网格法逼近函数的方法有很多,其中移动最小二乘法已经广泛应用。由于移动最小二乘法的局限性,因此本文中主要利用IMLS-Ritz法来构造试函数,计算精确性更高,稳定性也更好。使用Newmark-β方法进行动态问题的数值时间积分。为了验证本文中采用近似方法的精确性和稳定性,仿真实验首先对加入碳纳米管前后板刚性变化进行对比,利用各向同性方板不同布点数以及不同的缩放因子来验证收敛性,并且将该方法近似结果与他人研究结果进行对比分析,误差在一定范围内,则该方法精确性和稳定性良好。本文重点研究碳纳米管增强玻璃钢材料板在受到外力突发动态负载的情况下随时间变化的中心点位移动力响应情况。基于一阶剪切变形理论(FSDT),将无网格改进的移动最小二乘(IMLS)方法扩展到本文研究的数值模拟。文章主要采用IMLS-Ritz法来构造试函数,另外为了更加直观地验证加入碳纳米管后对刚度的影响,对加入碳纳米管前后的材料进行了动力响应行为研究。对任意四边形以及四种正多边形碳纳米管增强复合材料不同体积分数,不同碳纳米管分布,不同的形状,不同的板宽厚比以及不同的边界条件等进行弹性动力学分析。

关键词： 功能梯度复合材料   圆柱壳   冲击屈曲   动态稳定特性  

摘要： 圆柱壳由于高强度、受力均匀、易加工、易装配，并拥有优异的气动特性等特点。因此，在航空航天、船舶、海洋工程，大型车辆装备等领域均有广泛应用。圆柱壳在工程应用中经常受热、力冲击载荷作用(如：火箭尾部加热，气动加热等)。在冲击的过程中，物体内部产生冲击应力，导致快速变形、甚至失稳。对这些力学行为进行分析具有重要的理论与实际应用价值。本论文研究功能梯度复合材料(Functionally graded materials,FGM)圆柱壳在冲击载荷下的动态稳定特性,主要内容如下：\n 1.基于经典壳理论，运用辛方法研究了两端固定功能梯度薄圆柱壳在热冲击载荷作用下的轴对称屈曲问题。假设FGM的物理性能参数沿厚度方向按照幂函数形式连续变化，壳体的内表面受均匀热冲击载荷作用。首先采用Laplace变换求解热传导方程，得到壳体内部的动态温度场及热轴力和热弯矩的表达式。然后考虑Hamilton正则方程，采用辛方法求解辛本征值和本征向量，求解可获得屈曲模态，进而得到屈曲载荷。当FGM圆柱壳退化为均质圆柱壳时，将所得临界屈曲载荷与已有均质圆柱壳的载荷相比较，证明了本文数值求解与理论推导的正确性。最后详细分析和讨论了FGM圆柱壳分别在纯陶瓷和纯金属内部施加热冲击载荷时，材料的体积分数指数对临界升温的影响，验证了材料性能的梯度变化对热冲击应力的缓解作用。\n 2.基于经典壳理论，运用辛方法研究了两端固定功能梯度材料薄圆柱壳在热冲击载荷作用下的非轴对称屈曲问题。和轴对称屈曲不同。非轴对称问题还需要考虑环向的位移和环向屈曲模态。首先采用Laplace变换方法求解了一维热传导方程，然后引入辛方法，求解FGM圆柱壳的临界载荷和屈曲模态。最后分析讨论了热冲击载荷与圆柱壳结构的几何尺寸对非轴对称屈曲临界升温的影响。研究发现热冲击载荷参数、材料的梯度参数、壳体的形状参数等对圆柱壳临界温度的影响与轴对称相似。\n 3.基于经典壳理论，并考虑应力波对圆柱壳屈曲的影响，运用辛方法研究了一端固定功能梯度材料薄圆柱壳在扭转冲击载荷作用下的屈曲特性。考虑FGM圆柱壳径向、环向和轴向位移，构造出原变量和对偶变量，建立起该系统的Hamilton体系。然后引入辛方法，归结为求解系统的本征值和本征向量，获得FGM圆柱壳的临界载荷和屈曲模态，并分析讨论了不同环向和径向阶数和圆柱壳结构的几何尺寸及物性参数对屈曲临界载荷的影响。\n 本文的成果对结构冲击力学特性的研究有积极意义，对于功能梯度复合材料结构的工程实际应用与优化设计具有一定的理论指导价值。

关键词： 羟基磷灰石   聚醚醚酮   功能梯度复合材料   力学性能   生物活性  

摘要： 本课题通过原位合成-梯度复合-热压成型相结合技术成功制备了不同羟基磷灰石（HA）总含量的羟基磷灰石增强聚醚醚酮（HA/PEEK）梯度复合材料。通过XRD、FT-IR和SEM等检测手段对HA/PEEK梯度复合材料的显微结构及组织成分进行表征和分析;利用材料万能试验机系统研究了制备工艺条件对HA/PEEK梯度复合材料力学性能的影响变化规律;结合显微形貌的观察与分析,揭示了HA/PEEK在不同条件下的断裂机理;通过生物沉积试验评价了HA/PEEK梯度复合材料的生物活性。研究结果如下： 1.XRD分析结果表明,热处理可以改善PEEK的结晶度;FT-IR分析结果表明HA/PEEK梯度复合材料是HA和PEEK的混合物;SEM扫描结果发现A/PEEK梯度复合材料的复合层中的HA颗粒为纳米级别,并且发现HA/PEEK梯度复合材料具有良好的界面结合状态。 2. HA/PEEK梯度复合材料的拉伸试验和三点弯曲实验结果表明HA/PEEK梯度复合材料的拉伸强度、拉伸应变、弯曲强度和弯曲应变随着HA总含量的增加而下降,相反地,HA/PEEK梯度复合材料的拉伸模量和弯曲模量随着HA总含量的增加而增加。 3.退火处理后的材料的拉伸性能明显高于退火前的HA/PEEK梯度复合材料的拉伸性能。退火后（35/40/45）wt%HA/PEEK梯度复合材料的拉伸强度为29.18MPa,拉伸模量达到最大值2.953GPa。 4.应力集中状态下的拉伸试验发现缺口横截面积越小,产生的应力集中越大,对材料的力学性能的破坏就越大,另外,在应力集中状态下,（30/40/50）wt%HA/PEIEK梯度复合材料的拉伸强度和拉伸模量均比40wt%HA/PEEK复合材料的高。这说明适度的梯度的存在可以减缓应力集中对材料强度的破坏,也表明层间梯度浓度与HA总含量对HA/PEEK梯度复合材料的力学性能起协同作用。 5.生物沉积实验说明HA/PEEK复合材料具有较好的生物活性。以此可以推断HA/PEEK梯度复合材料也具有较好的生物活性。