含孔隙新型功能梯度变厚度旋转圆板的湿热力学行为研究

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功能梯度材料(F GM)是组份含量按特定方向连续变化的非均匀复合材料,可有效解决传统复合材料组份之间结合能力弱和不同组份性能难以协调等问题,达到诸如缓和应力集中和优化应力分布等效果,使整体材料在保持细观结构完整性的同时充分发挥各组份材料的性能优势。基于功能梯度的概念,许多新型FGM得以研发并广泛研究。由于制备技术等原因或出于特殊功能的需要,微孔或孔隙是各类型FGM中的常见缺陷,也是各类型FGM及其结构力学性能的重要影响因素之一。此外,FGM的应用场合通常是多物理场的复杂或极端环境,多场耦合效应下各类型FGM及其结构的力学响应更为复杂。本文基于复合材料力学、弹性力学和传热传质理论,分别以颗粒增强型(陶瓷-金属组份、压电-压磁材料组份)、纳米尺度长纤维增强型(碳纳米管为增强相)和纳米尺度短纤维增强型(石墨烯纳米片为增强相)FGM变厚度旋转圆板为研究对象,综合考虑孔隙类型及含量、增强相聚集效应及分布方式、材料性能湿热相关性和湿热传导耦合效应等因素,深入研究了湿热环境下含孔隙新型FGM变厚度旋转圆板多场响应问题的力学建模和计算方法。对于具陶瓷-金属组份的FGM变厚度旋转圆板,考虑了组份材料参数的温度相关性,引入特定几何参数对圆板厚度沿半径方向的变化规律进行了表征;基于稳态热传导和线弹性理论建立了圆板的温度和位移控制方程,并采用分层近似方法进行了数值求解。在数值算例中,讨论了梯度指数、厚度变化、旋转角速度以及温度条件对该圆板热力学响应的影响。对于具陶瓷-金属组份且含孔隙的FGM变厚度旋转圆板,提出了用组份材料本身含有的孔隙及各组份粒子结合界面孔隙线性叠加表达的孔隙含量计算式;考虑组份材料和孔隙填充物(液相水和水蒸气)性质的温度相关性,及整体湿度扩散系数和密度的湿度相关性,建立了非线性稳态湿热方程;基于线弹性理论建立了圆板的位移控制方程;采用微分求积法(DQM)对控制方程进行了离散求解。在数值算例中,讨论了梯度指数、孔隙类型及其参数、厚度变化、湿热条件以及转速对圆板湿热场和力学响应的影响。对于稳态湿热环境下具磁电效应且含孔隙的功能梯度磁电弹性材料(FGMEEM)变厚度旋转圆板,采用稳态热传导和湿度扩散理论,建立了圆板的湿热控制方程;基于Maxwell理论、无源静电学和静磁学方程及线弹性理论,建立了圆板的电磁位移控制方程;采用DQM对控制方程进行了求解。在数值算例中,讨论了组份含量、梯度指数、孔隙类型及其参数、厚度变化和湿热条件对圆板多场响应的影响。对于碳纳米管(CNT)梯度分布于聚合物基体的功能梯度CNT增强复合材料(FG-CRC)变厚度旋转圆板,考虑了组份材料孔隙和CNT聚集产生的结构孔隙,建立了具概率聚集效应的FG-CRC性能预测模型;考虑热传导和湿扩散的双向耦合特性,建立了圆板的耦合湿热传导方程;基于线弹性理论建立了圆板的位移控制方程;在空间域采用DQM、时间域采用Runge-Kutta和Newmark法对控制方程进行了离散求解。在数值算例中,讨论了湿热耦合效应、概率聚集效应、孔隙和梯度参数、厚度变化和转速对圆板湿热场和力学响应的影响。对于石墨烯纳米片(GNP)梯度分布于聚合物基体的功能梯度GNP增强复合材料(FG-GRC)变厚度旋转圆板,考虑了 GNP在基体中的概率聚集效应、聚集方式和分布方式,提出了 GNP随机和有序分布下FG-GRC的材料性能预测模型;建立了圆板的耦合湿热传导方程和位移控制方程,并采用DQM、Runge-Kutta和Newmark法进行了离散求解。在数值算例中,讨论了 GNP分布方式、聚集方式、GNP几何尺寸、孔隙和梯度参数以及厚度变化对圆板湿热场和力学响应的影响。本文采用理论建模和数值计算方法,解决了湿热环境下几类含孔隙新型FGM变厚度旋转圆板的多场力学响应问题,探讨了多种因素对圆板湿热力学响应的影响。本文的研究工作不仅丰富和发展了复合材料力学和传热传质理论,也为新型多孔FGM及其结构的设计制造和推广应用提供了理论依据,具有重要的研究意义和工程应用价值。
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