功能梯度压电材料的热电弹耦合接触与摩擦滑动失稳分析

This project will study the thermo-electro-elastic contact and frictional sliding instability of functionally graded piezoelectric materials (FGPMs). The following contact and instability problems will be investigated: 2D thermo-electro-elastic frictionless contact of FGPM layered half-plane acted by the rigid insulting or conducting punches with the perfect and imperfect contact conditions; 2D thermo-electro-elastic frictional contact and instability between two sliding FGPM layered half-plane with consideration of the frictional heating and dynamical effects; axisymmetric contact and instability between two rotating FGPM coated half-plane; and the stick-slip motion between two FGPM layered half-plane induced by the frictional sliding instability. The aim of this project is to understand the mechanism of modifying the thermo-electro-elastic contact damage and controlling the frictional sliding instability by using FGPMs. The effects of the material gradients on the surface contact stresses, surface electric charge, critical speed, heat-exchange and temperature distribution will be discussed. The results are relevant to the applications of FGPMs in improving the resistance to thermo-electro-elastic contact damage and frictional sliding instability in intelligent structures and devices.

本项目的研究将主要集中于功能梯度压电材料的热电弹耦合接触与摩擦滑动失稳分析。主要内容包括：功能梯度压电材料覆层结构的二维热电弹性无摩擦接触问题，考虑几类典型刚性压头的导电/绝缘属性以及"理想接触"和"非理想接触"条件；功能梯度压电材料覆层结构的二维热电弹性摩擦滑动接触及失稳分析，考虑摩擦热的影响以及动力学效应；功能梯度压电材料覆层结构的三维轴对称热电弹性摩擦旋转接触及失稳分析；进一步研究功能梯度压电材料覆层结构热电弹性摩擦滑动失稳所导致的接触面粘着－滑移运动。主要目的是：考查热电弹性参数梯度变化的不同形式对热电弹性接触特性的影响，研究如何通过改变热电弹性参数梯度变化的形式调节接触应力分布、表面电荷分布、表面温度分布、物体间热量流动，提高热电弹性滑动的稳定性，改善热电弹性接触损伤，实现智能结构表面抗热电接触损伤和滑动失稳的优化设计等。

本课题的研究了功能梯度压电材料的接触力学、功能梯度材料的热弹性接触稳定性分析、功能梯度磁电弹材料的接触分析、压电和磁电纳米结构的振动及稳定性分析。研究计划要点主要包含如下几个方面：.1.研究了功能梯度压电材料的二维和轴对称无摩擦接触、微动接触问题以及扭转接触，提出了求解微动接触问题耦合奇异积分方程组的有效迭代法，研究结果显示功能梯度材料用在涂层能改善智能器件的微动接触损伤。.2.研究了功能梯度材料的热弹性失稳问题，包括准静态和摩擦滑动两种情况，分析了梯度指数对临界热流密度和临界滑动速度的影响，结果显示功能梯度材料能改变临界热流密度和临界滑动速度的大小，从而调节系统的热弹性接触稳定性。.3.详细的分析了功能梯度磁电弹材料的接触问题，给出了梯度指数对表面磁电弹场的影响趋势。.4.将本课题进一步延伸到压电和磁电纳米结构的振动及稳定性问题，给出了电势和磁势的解析表达式，讨论了尺度参数和热力电磁载荷对振动频率和临界屈曲载荷的影响。.本项目的主要研究内容进展顺利，在功能梯度材料的接触力学及接触稳定性方面取得了许多研究成果，资助期间共发表标注基金号的SCI论文16篇。另外，作为研究内容的扩展，申请人也考虑了压电和磁电纳米结构的振动及稳定性问题，相关论文之一发表在力学学报英文版上，入选了中国科技期刊2016年度优秀论文。