功能梯度材料圆柱壳的弹塑性变形

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:momoww
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随着科学技术的发展,功能梯度材料(Functionally graded materials, 缩写为FGM)已广泛应用于航空发动机和AFM等产品中以实现高灵敏度并得到所需的性能,同时功能梯度材料板和壳的力学性能研究也受到了学者们的高度关注。但大多数已有研究主要集中于弹性力学性能研究,对热、力作用下的弹塑性变形的研究相对较少。基于此本文主要研究FGM圆柱壳分别在热加载和机械加载时的弹塑性弯曲变形,主要内容如下:  基于经典壳理论,用辛方法研究两端固支功能梯度材料圆柱壳在热加载过程中的弹塑性变形问题。根据功能梯度材料弹塑性应力-应变关系TTO模型,考虑轴向和径向应力,推导出与温度相关的弹塑性本构方程。在辛空间中求解出Hamilton体系下的对偶正则方程,结合分叉条件求得圆柱壳的弹塑性弯曲挠度的解析表达式,进而推导出应力表达式。基于Mises屈服准则求解出FGM圆柱壳的弹塑性交界面,再把所得弹塑性交界面代入热薄膜力的表达式并反解进一步得出相应的温度。研究建立了Hamilton体系下辛方法求解FGM结构弹塑性热弯曲问题的求解过程。并且得出功能梯度材料圆柱壳的径厚比、陶瓷侧与金属侧温度比和材料组分参数对功能梯度材料圆柱壳弹塑性弯曲变形、弹塑性变形交界面和弹塑性应力的影响,进而验证了陶瓷材料组分对功能梯度材料圆柱壳的变形有减缓作用。  基于经典壳理论,在Hamilton体系下采用辛方法研究FGM圆柱壳受机械加载时的弹塑性弯曲问题,其中采用线性混合强化弹塑性模型来模拟FGM圆柱壳的弹塑性物性参数,基于TTO模型建立了功能梯度材料的弹塑性本构关系。结合Hamilton原理推导出正则方程,将FGM圆柱壳的弯曲挠度方程的求解转换为辛空间中的辛本征解问题,并结合边界条件求解得到在机械加载时的弹塑性弯曲挠度方程,反解得到弯曲应力和结构变形的弹塑性分界面。详细分析讨论外载荷作用下组分参数、径厚比对功能梯度材料圆柱壳弯曲变形的影响。而在加载过程中,圆柱壳在金属侧率先发生塑性变形,随着外载荷的增大,发生塑性变形的区域向陶瓷材料侧转移。结果表明:FGM圆柱壳的组分参数对弹塑性弯曲有较大的影响,随组分参数增大,FGM圆柱壳的强度减小,弹塑性弯曲挠度变大。  本文的成果对功能梯度材料结构在外载荷和热载荷作用下的弹塑性变形的研究具有理论意义,对FGM结构的塑性性能利用有积极意义。
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