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功能
梯度
材料
有限元
力学
分析
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功能梯度材料有限元力学分析,功能,梯度,材料,有限元,力学,分析
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设计开题报告题 目功能梯度材料有限元力学分析姓 名学号专 业班级指导教师职称填写时间2014年3 月 20 日 2014年3月说 明1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字。5开题报告检查原则上在第24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。6. 填写说明：(1) 课题性质：可填写A工程设计；B论文；C. 工程技术研究；E.其它。(2) 课题来源：可填写A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校级基金课题；D自拟课题。(3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。(4) 参考文献不能少于10篇。(5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。开题报告学生姓名学 号专 业指导教师职 称所在系课题来源D课题性质课题名称功能梯度材料有限元力学分析一、 选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况1、选题的依据 材料是现代科学技术和社会发展的支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料，特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力，直接体现国家的科学技术水平和经济实力，也是一个国家综合国力和文明进步速度的标志1。 随着科学技术的发展和人类对未知领域的探索，材料使用环境越来越苛刻。近些年，随着物理、化学、计算机等学科的交叉渗透，材料制备领域逐渐引入了新理论方法及实验技术，同时实际应用的迫切需要对材料制备也提出了新的要求，因此新材料的研究与开发备受研究者关注。功能梯度材料(Functionally gradedMaterial，简称FGM)作为一种可设计材料，已成为材料制备领域研究热点之一，与传统的复合材料相比，梯度材料不仅提供了优异的抗断裂和耐热冲击性能，而且在超高温环境下具有优良的隔热性能、可设计性能、有效缓解材料内部热应力等各种特殊性能，因此被认为是未来高速航天器、核工业和化学工业等领域的潜在材料，具有极其广阔的应用前景2。2、国内外基本研究情况 功能梯度材料(FGM)是采用先进的材料复合技术，使材料的组成、结构沿厚度方向呈梯度变化，从而使材料的性质和功能连续地呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料3-4。早在1972年，Bever、Duwez5和Shen6等人就发现了具有渐进结构的功能梯度材料，并论述了这种材料在工程应用中的前景7。1987年，日本科技厅提出了“关于缓和热应力的功能梯度材料开发基础技术的研究”8-9计划，正式提出了功能梯度材料的概念，并很快引起了世界各国极大的关注。美国的NASP计划、德国的Sanger计划、英国的HOTOL计划和俄罗斯的图-2000计划都把功能梯度材料及其相关制备技术作为重点关键技术来研究开发10。作为FGM概念发源地的日本更是在功能梯度材料领域投入了大量的人力物力，相继设立了“热应力缓和材料的开发基础技术的研究”、“具有功能梯度结构的能量转换材料的研究”和“梯度材料物理化学研究”等一系列研究项目。从材料物性数据库、梯度材料制备和结构控制、梯度材料性能评价等多个方面展开了大量的研究，并在热应力缓和型FGM和光电转换、热电变转换梯度材料上取得了举世瞩目的成果。我国政府已把功能梯度材料的研究列入国家“863”计划11。功能梯度材料已成为材料科学的前沿课题。 在功能梯度材料与结构的设计、制造与服役过程中出现了大量富有挑战性的力学研究课题。固体的材料性能不均匀性，给力学分析带来了很大的困难，以往针对均匀材料引入和发展的力学概念、理论、计算方案和实验手段，有许多已不再适用于功能梯度材料，需要进行探索和创新，对这些力学问题的深入研究，是进一步推广应用功能梯度材料的前提，同时也促进非均匀介质力学研究的发展。目前进行了大量的功能梯度材料的理论研究、功能梯度材料结构的数值计算方法和功能梯度材料的断裂力学研究。梁、板、壳以及它们的组合是目前功能梯度材料常见结构形式，对这些典型结构进行受力分析与变形分析乃至多场耦合分析是功能梯度材料与结构一体化设计所不可缺少的。分析方法主要以简化的结构理论为主12-13，也有一些从三维方程出发进行直接求解14-15。对于较复杂的功能梯度结构, 数值计算方法是强有力的分析工具。但是将常规的数值计算方法如有限元法用于功能梯度结构的分析, 技术上存在着很大的困难。由于材料性质宏观上的不均匀性，利用常规有限元对功能梯度材料结构进行三维分析, 势必需要划分大量的单元, 计算工作量巨大。因此建立针对功能梯度材料特点的、新的或改进的有限元法是十分必要的，人们提出了各种梯度有限元法16-17，但仍需要进一步的深入研究。功能梯度材料的断裂力学研究对于功能梯度材料及其结构的设计、优化及安全评价具有十分重要的意义。以往的研究表明，功能梯度材料裂纹尖端应力场的奇异性与普通均匀材料相同，并且不具有界面裂纹问题的应力振荡性, 因此可以像经典的均匀材料断裂力学那样定义功能梯度材料裂纹尖端的应力强度因子等断裂力学参量，但是这些断裂参量除了与裂纹及结构尺寸、载荷形式及大小等有关外, 还取决于材料性质的梯度变化规律。功能梯度材料与结构的关键力学问题研究具有重要的学术价值和应用前景。但是由于问题的复杂性和挑战性, 该领域还存在大量尚未很好解决、需要进一步探讨的问题, 对这些问题深入的研究, 是进一步推广应用功能梯度材料所不可缺少的, 也将促进非均匀介质力学研究的突破。需要进一步研究和发展的方向包括功能梯度材料的无损检测与性能表征的理论及实验技术、考虑黏弹性、塑性等复杂材料性质的功能梯度结构的力学分析、多场耦合的功能梯度结构的动力学分析、功能梯度材料结构的优化设计理论与方法等。3、 课题的意义 本论文是以功能梯度材料梁为研究对象，根据功能梯度材料的各层材料属性的不同对梁进行受力分析，并进行模态分析及热弹性分析，为功能梯度材料的梁设计提供理论依据和决策参考，因此本文研究具有较好的理论意义和工程应用价值!二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施【研究内容】 本毕业论文的题目是功能梯度材料有限元力学分析，主要工作包括以下几个方面：（1） 采用ANSYS软件建立功能梯度材料的模型并根据功能梯度材料的各层材料属性的不同对梁的受力分析。（2） 对功能梯度梁进行有限元结构静力学分析、模态分析及热弹性分析，得到最大位移、最大应力、主频率、温度节点分布及应力分布并与一种材料属性的梁进行比较验证功能梯度梁的优越性，可以为工程设计提供一定的理论依据和参考。 【预期达到的目标】预期达到的目标是比只有一种材料属性的梁具有更好的承载能力，具有更小的振动，具有更均匀的应力分布和能承受更高的温度。 【关键理论和技术】利用有限元思想，采用ANSYS软件完成功能梯度梁的建模与初步分析计算，并用APDL语言对其进行模态分析及热弹性分析。3、 主要特色及工作进度【主要特色】 运用国内外先进的有限元方法进行功能梯度材料的数值计算，大大缩短了设计制造加工时间，加快了产品的更新速度，同时提供了一定的理论依据，运用有限元法进行的设计真正的达到最优！【工作进度安排】2.233.10：熟悉课题、查阅文献资料； 3.113.24：撰写文献综述、开题报告；4.14.20：材料的选型及确定材料沿梁厚度分布的规律及三维建模；4.214.26：载荷受力分析；4.275.5：结构静力学分析；5.6-5.15：模态分析及热弹性分析；5.165.26：撰写毕业论文；5.275.30 上交毕业论文，并根据评阅意见进行修改；6.66.8：毕业答辩。四、主要参考文献（按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出）1 高晓霞, 姜晓红, 田东艳. 功能梯度材料研究的进展综述 J. 山西建筑, 2006, 32(5): 143-144.2 刘划炜, 刘学武, 张广文. 功能梯度材料制备工艺及研究进展 J. 机械设计与制造, 2012, 4: 265-267.3 谢海峰, 陈龙, 陈宝宝. 功能梯度材料的概述 J. 魅力中国, 2011:217.4 马涛, 赵忠民, 刘良祥, 高超, 黄雪刚. 功能梯度材料的研究进展及应用前景 J. 化工科技, 2012, 20(1): 71-75.5 M.B. Bever, P.F. Duwez. Mater J. Sci. Eng. 1972, (10 ): 1-8.6 M. Shen, M.B. Bever, J. Mater. Sci. 1972(7) : 741-746.7 Kieback, A Neubrand, H Riedel. Processing techniques for functionally graded materials J. Materials Science and Engineering, 2003, 3(5): 81-105.8 kamura H. State of the art of material design projects for severe service applicationsJ. Materials Science and Engineering A, 1991, 143(1/2): 3-9.9 陈陟. 日本倾斜功能材料的研究开发动向J. 材料导报, 1989, 3(2): 19-23.10 李君, 罗国强, 沈强, 等. 流延法制备功能梯度材料的研究进展J. 中国材料进展, 2009, 28(4):46-5l.11 保华, 李文迢. 功能梯度材料的研究现状与展望 J. 耐火材料, 1998, 32(5): 295-301.12 Loy CT, Lam KY, Reddy JN. Vibration of functionally graded cylindrical shells J. International Journal of Mechanical Sciences, 1999, 41(3): 309-324.13 Javaheri R, Eslami MR. Thermal buckling of functionally graded plates J. AIAA Journal, 2002, 40(1): 162-169.14 Tarn JQ. Exact solutions for functionally graded anisotropic cylinders subjected to thermal and mechanical loads J. International Journal of Solids and Structures,2001, 38(46-47): 8189-8206.15 Vel SS, Batra RC. Three-dimensional exact solution for the vibration of functionally graded rectangular plates J. Journal of Sound and Vibration, 2004, 272(3-5): 703-730.16 Santare MH, Lambros J. Use of graded finite elements to model the behavior of nonhomogeneous materials J. ASME Journal of Applied Mechanics, 2000, 67(4): 819-822.17 Santare MH, Tham
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