功能梯度磁電彈復(fù)合材料的二維接觸力學(xué).pdf

1、磁電彈復(fù)合材料（Magneto-electro-elastic composite materials）是一種由壓電材料和壓磁材料按照某種方式復(fù)合而成的新型智能復(fù)合材料，具有壓電、壓磁和磁電三種耦合效應(yīng)。最近十幾年來，磁電彈材料由于其優(yōu)越的力學(xué)性能與電磁耦合性能而在許多高新科技領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程應(yīng)用中，磁電彈材料常常受到接觸力和摩擦力的作用，因而在工作過程中不可避免地出現(xiàn)磁電彈接觸損傷。此外，很多接觸問題都與熱密切相

2、關(guān)，特別是當(dāng)有摩擦存在時(shí)，熱彈性效應(yīng)所引起的熱接觸損傷更是難以避免。目前有關(guān)研究表明，將功能梯度材料用作表面涂層可以改善材料表面的接觸與熱接觸損傷。本文將針對功能梯度磁電彈復(fù)合材料的無摩擦接觸與滑動摩擦熱接觸問題展開研究，以探討利用梯度層改進(jìn)磁電彈材料抗接觸損傷能力的可能性。主要內(nèi)容和結(jié)論包括:
　　1.研究了功能梯度磁電彈層疊半平面在剛性平壓頭與圓柱形壓頭作用下的無摩擦接觸問題。假設(shè)壓頭為理想電磁導(dǎo)體，且梯度層磁電彈參數(shù)沿厚度方

3、向按指數(shù)函數(shù)變化。研究結(jié)果表明，梯度指數(shù)和力電磁荷載的變化均對表面磁電彈場有較大影響。通過改變梯度指數(shù)，可以調(diào)節(jié)表面磁電彈場分布，進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)的抗磁電彈接觸損傷能力。
　　2.進(jìn)一步求解了功能梯度磁電彈層疊半平面在剛性導(dǎo)電導(dǎo)磁平壓頭作用下的滑動摩擦接觸問題。假設(shè)接觸區(qū)內(nèi)滿足庫倫摩擦準(zhǔn)則。利用Fourier積分變換，將該問題化為第一類與第二類混合的Cauchy奇異積分方程組，并采用迭代法進(jìn)行數(shù)值求解。結(jié)果表明，梯度指數(shù)對表面法向與橫

4、向應(yīng)力有一定影響，對表面電位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度影響很小。摩擦系數(shù)對表面法向接觸應(yīng)力有一定影響，對表面橫向應(yīng)力影響較大，而對表面法向電位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有影響。隨著摩擦系數(shù)增大，在壓頭尾端附近出現(xiàn)更大的法向應(yīng)力集中，這意味著在這些位置可能出現(xiàn)磁電彈接觸損傷。另外，內(nèi)部磁電彈場隨著梯度指數(shù)的變化而有明顯變化;摩擦系數(shù)對層間接觸應(yīng)力有明顯影響，對其余內(nèi)部磁電彈場則沒有影響。
　　3.考慮了均勻磁電彈半平面在剛性平壓頭作用下的滑動摩擦熱接觸問

5、題。假設(shè)壓頭在磁電彈半平面表面以較小的常速度滑動，且摩擦產(chǎn)生的熱流全部流入磁電彈半平面內(nèi)。研究表明，摩擦系數(shù)對表面法向接觸應(yīng)力有較大影響，對表面橫向接觸應(yīng)力影響很大，而對表面磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較小，對表面電位移則沒有影響。類似地，壓頭滑動速度對表面法向接觸應(yīng)力有明顯影響，對表面橫向接觸應(yīng)力有很大影響，而對表面磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較小，對表面電位移則沒有影響。隨著摩擦系數(shù)與壓頭滑動速度增大，表面溫度也隨之增大。
　　4.進(jìn)一步研究了功能梯度磁

6、電彈層在剛性平壓頭作用下的滑動摩擦熱接觸問題。假設(shè)梯度層置于剛性絕緣基體上，層各參數(shù)按指數(shù)函數(shù)變化。利用Fourier積分變換法，將該問題的控制方程化為第一類與第二類混合的Cauchy奇異積分方程組，并用迭代法數(shù)值求解，得出層表面的溫度場與磁電彈場。研究結(jié)果表明，梯度指數(shù)對表面法向接觸應(yīng)力有明顯影響，對表面橫向接觸應(yīng)力影響很大，同時(shí)對表面電位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度也有一定影響。摩擦系數(shù)與壓頭滑動速度對表面法向與橫向接觸應(yīng)力有一定影響，對表面電位