金属/陶瓷功能梯度材料板温度相关的安定性分析研究

Aimed at the importance of the elasto-plastic analysis for the metal/ceramic functionally graded material plates (FGMP) subjected to coupling thermo-mechanical cycling and the unknown loading history, shakedown analysis will be implemented for FGMP in this subject to obtain the ultimate bearing capacity and optimize the gradient distribution of the volume fraction of each phase. By considering the probability of the local distribution of each phase and defects in microstructure, and considering temperature dependence of thermo-physical parameters of each phase and high temperature effect on microstructure, prediction model of effective thermo-physical parameters for FGMP will be established. By describing the spatial distribution of the thermo-physical parameters of FGMP with piecewise exponential model and obtaining the relevant parameters by the prediction model of the thermo-physical parameters, shakedown analysis model based on endochronic theory constitutive relationship and simulation model which are dependent on temperature value will be established to calculate the boundary of shakedown area of FGMP. Through the optimization model of the gradient distribution of volume fraction for each phase based on shakedown analysis, the optimized gradient distribution of volume fraction of each phase will be obtained for the best ultimate bearing capacity of FGMP. From the study of the subject, we will provide the theoretical scientific basis based on shakedown analysis for safety and gradient design of FGMP subjected to coupling thermo-mechanical cycling. The research system of mechanical theory on functionally graded materials will be rich by this study of the subject.

针对循环力/热耦合作用下金属/陶瓷功能梯度材料板弹塑性分析的重要性，本课题拟在无法获知受载历史的情况下，对梯度板进行安定性分析，得到其极限承载能力并优化各相体积率梯度分布。通过考虑细观结构中各相局部分布概率和缺陷出现概率，并考虑各相材料热物参数温度变化和高温对细观结构的影响，建立材料等效热物参数预报模型；通过采用分段指数函数模型描述梯度板材料热物参数空间分布规律，并由材料等效热物参数预报模型获知每段上下边界处等效热物参数来计算每段指数函数模型所需参数，建立基于内时本构关系安定定理的温度相关性安定分析理论模型和有限元模型，计算梯度板安定区域边界；通过建立基于安定性的各相体积率梯度分布优化模型，得到梯度板极限承载能力最强时各相体积率梯度分布规律。通过本课题的研究，为力/热循环作用下功能梯度材料板的安全使用和梯度设计提供基于安定性分析的理论依据，丰富功能梯度材料力学理论研究体系。

使用在复杂载荷环境下的金属/陶瓷功能梯度热防护材料和结构是功能梯度材料非常重要的应用领域，热防护系统是各国正在研制可重复使用航天飞行器上的关键部件之一，因涉及到高温及复杂力学环境问题而对材料和结构提出苛刻要求，金属/陶瓷功能梯度热防护材料与结构已成为发展热点。安定性又是复杂循环载荷作用下材料使用的有效性和耐久性重要指标之一。基于以上背景，本课题开展了金属/功能梯度材料在热力载荷作用下的安定性分析，并且为进一步更好的分析梯度材料的力学问题，分别研究了组分相材料金属和陶瓷的力学性能，本项目主要研究成果如下。基于Eshelby域内与域外等效夹杂理论，推导了高温环境下梯度材料等效热物参数预报理论模型。研究了高温-机械荷载循环作用下的金属/功能梯度材料板安定性，建立了功能梯度板安定分析的理论模型和数值计算分析。通过实验和理论分析研究了金属和陶瓷材料的力学性能，为金属/陶瓷功能梯度材料组分相力学性能提供科学依据。本项目通过安定分析与优化梯度设计相结合的方法，采用数值方法针对耦合温度与力循环载荷作用下的金属/陶瓷功能梯度热防护材料与结构完成了安定分析，揭示热防护材料结构的安定机理。课题组分别对金属材料和陶瓷材料与结构进行了一系列温度相关的研究，并结合应用对结构进行了优化设计，不仅为课题的安定性分析提供了材料性能的有效依据，同时拓展了本课题的研究成果与研究意义。