基于彈性理論的功能梯度材料管板應力分析

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江大慶 163318；2.中石化石油機械股份有限公司，武漢 430205)

0 引言

工業生產的高參數化使得換熱器的服役環境日漸苛刻，換熱器的管殼程溫差的逐漸加大，使得單一材料的管板無法滿足工藝要求[1]，使用層合的復合材料管板[2-6]也可能會出現層間開裂等失效問題。相比之下，功能梯度材料在制備過程中，結構兩側由不同性能的材料組成，但這兩種材料并不直接相連，而是在它們之間形成一個在成分、組織及性能上呈現連續梯度變化的過渡區域，從而達到內部界面弱化、甚至完全消失，材料的宏觀特性(如彈性模量、熱膨脹系數等)在空間位置上呈現梯度變化，進而減小和克服結合部位性能的不匹配，以滿足不同結構元件對材料使用性能的不同要求，達到提高承載結構能力并合理使用材料的目的[7]，因此，功能梯度材料(Functionally Graded Materials，簡稱FGM)在換熱器管板上具有廣闊的應用前景[8-9]。目前，Ganczarski等[10]推導出了FGM厚板在熱載荷作用下的平面應力狀態；Ashrafi等[11-12]研究了厚功能梯度材料板的非線性動力響應和振動;李世榮等[13]研究了經典板理論下功能梯度板的自由振動響應問題和一階剪切變形理論下功能梯度圓板與相應均勻圓板軸對稱彎曲解的線性相似轉換關系;Sui等[14]研究了四邊簡支的功能梯度層合板彎曲的一階剪切變形理論解與相應均勻板彎曲的經典解的關系，并且給出了相應的轉換關系的表達式。基于該材料的力學行為研究使得功能梯度板力學問題得到簡化，對工程上功能梯度材料管板的設計與制造具有重要意義。……