功能梯度材料的力学的研究综述.pdfVIP

功能梯度材料的力学研究综述 张政 00022) (北京工业大学机电学院工程力学部北京1 一、引言 功能梯度材料(FGM)是根据使用要求，选择使用两种不同性能的材料，采用先进的材料 复合技术，使中间的组成和结构连续呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性 质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。作为一类先进的复合材料，功能梯 度材料能综合利用多种材料的物理性能，同时材料性质的连续变化也使其具有许多优越的力 学性能。 虽然功能梯度材料的开发是针对航空航天领域应用的超耐热材料，但由于FGM具有均质 复合材料无法比拟的优点，其用途已由原来的宇航工业扩大到机械工程、核能源、电子、化 学、光学、生物医学工程、信息工程、民用及建筑等领域，应用前景十分广阔。目前对功能 梯度材料与结构的力学研究大多集中于热应力及裂纹，优化设计几方面，而其它各力学分支 研究还有很多空白与薄弱环节。 二、研究现状 梁、板、壳是功能梯度材料部件的主要结构形式，主要的理论分析方法有简化模型法、 层合模型法和精确解法等。简化模型法将经典的或考虑剪切变形的一维梁理论或二维板、壳 理论直接套用到功能梯度材料结构的分析上，但是这些理论的基本假设是基于均匀或层合材 料做出的。并不能完全适用于功能梯度材料。层合模型法将功能梯度材料梁、板、壳等结构 沿厚度方向分成若干层，每一层等效为均匀材料，当分层足够多时，分析结果将趋近子弹性 力学精确解。精确解法则是严格求解问题的控制方程和边界条件，只能获得特殊边界条件(如 简单支撑)下的结果。 2．1结构力学研究 目前，虽然对功能梯度材料常见的梁板壳结构力学分析提出多种力学模型，但由于数学 分析上的困难，能取得完全解析解的主要还是特定几何形状与边界条件的线性问题。不过对 功能梯度材料结构静、动力学理论和数值方法的研究已取得很多成果。 校金友…等用应力函数法求解梁的弹性理论解，考察了不同弹性模量变化规律对深梁位 移和应力分量的影响，为校验梁、板近似理论和数值方法的有效性提供了依据。 曹志远121采用梁函数组合法对功能梯度复合材料矩形板进行动力特性分析，提{=H了适用 于不同边界条件下矩形板固有频率解的一般表达式，可用于功能梯度板的动力分析。马连生 璐1等研究了功能梯度圆板在热、机械等载荷作}}j下的轴对称非线性弯曲问题以及径向压力下 功能梯度圆板的过屈曲，利用数值结果考察了梯度材料性质、载荷条件以及边界条件对板弯 曲行为的影响。 柱壳的自由振动。边祖光【5’等利用从弹性力学的三维基本_方程导得的状态方程，结合层合近 似模型，求得了柱型正交各向异性功能梯度圆柱壳的自由振动频率。 一b5一