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研究生: 孫溢隆
Sun, Yi-Lung
論文名稱: 雙層功能梯度矩形板之力學及振動分析
Mechanics and Vibration Analysis of a Double-layered Functionally Graded Rectangular Plate
指導教授: 褚晴暉
Chue, Ching-Hwei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 104
中文關鍵詞: 功能梯度材料平板力學分析平板振動分析自然頻率
外文關鍵詞: functionally graded material, mechanics of FGM plates, vibration analysis of FGM plates, natural frequency
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  • 在固體力學以及平板力學之基礎,本文討論上層為功能梯度材料(FGM),下層為均質材料的雙層功能梯度矩形板之力學行為。首先,經由公式推導得到FGM平板之統御方程式,並求得四周皆為簡支撐且承受均勻分佈負載的雙層FGM板之位移場和應力場。接著討論在同樣的邊界條件、外型尺寸且承受相同外力的情況下,改變FGM之類型、楊氏係數之比值、函數變化之參數,以及FGM與均質材料在平板中所佔的厚度比例,對於FGM平板之影響。
    本文的第二部份是分析FGM平板的振動問題,先推導出FGM平板之振動統御方程式,求解任意邊界條件下之FGM平板的自然頻率,並使用有限元素軟體進行振動模態分析,加以驗證本文求解結果之正確性。另外,由求解自然頻率的過程中,整理並推導得到FGM平板與均質平板自然頻率之對應關係式,亦即能夠經由關係式,從均質板的自然頻率推得相同外型尺寸、邊界條件FGM板的自然頻率。最後舉出幾個典型的個案,證明該關係式之正確性。

    Based on the elasticity theory, the mechanics together with the free vibration analysis of a double-layered rectangular plate is studied in this paper. The plate contains two layers with a functionally graded material (FGM) and homogeneous material, respectively. The closed-form solution of the simply supported plate subjected to uniform loading is obtained by Levy’s method. The effects of different FGM property types, ratio of Young’s modulus E2/E1, nonhomogeneous material parameter p, and the layer thickness ratio on the mechanical behavior of the plate will be emphasized.
    In the case of a clamped-edge FGM plate, the natural frequencies are derived analytically and validated by the results obtained from finite element analysis. As a conclusion, the correspondence of the natural frequency between FGM plates and homogeneous plates expressed in an equation form is proved to be accurate.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 VIII 目錄 IX 表目錄 XIII 圖目錄 XIV 符號表 XVIII 第一章 緒論 1 1.1. 前言 1 1.2. 文獻回顧 3 1.3. 研究動機 6 1.4. 本文架構 7 第二章 FGM矩形平板之理論基礎 9 2.1. 基本假設 9 2.2. 統御方程式推導 11 2.2.1. 應變-位移關係式 12 2.2.2. 廣義虎克定律 12 2.2.3. 正向力、剪力及力矩之定義 13 2.2.4. 力平衡與彎矩平衡 16 2.2.5. 中性面之位置 18 2.2.6. 統御方程式 19 2.3. FGM類型 20 2.3.1. 雙層E-FGM 21 2.3.2. 雙層P-FGM 22 2.3.3. 雙層S-FGM 24 2.4. 邊界條件 27 第三章 雙層SSSS-FGM板受均勻分佈負載之力學分析 29 3.1. SSSS-FGM板受均勻分佈負載之解析解 29 3.2. 改變FGM類型對位移和應力場之影響 34 3.2.1. 雙層E-FGM平板 35 3.2.2. 雙層P-FGM平板 38 3.2.3. 雙層S-FGM平板 44 3.2.4. 三種FGM平板之討論 49 3.3. 改變FGM與均質材料比例之影響 52 3.3.1. 位移場之影響 53 3.3.2. 應力場之影響 55 3.3.3. 雙層FGM平板之厚度設計與討論 58 第四章 FGM平板之振動分析 60 4.1. 振動統御方程式推導 60 4.2. FGM平板之自然頻率 61 4.2.1. SSSS-FGM板自然頻率之封閉解 62 4.2.2. 任意邊界條件之自然頻率 63 4.3. 有限元素法分析之驗證 71 4.3.1. FGM板模型及參數設定 71 4.3.2. 邊界條件設定 73 4.3.3. 自然頻率之數值結果與驗證 74 4.4. FGM板與均質板自然頻率之對應關係 79 4.4.1. 自然頻率參數 79 4.4.2. 對應關係式 82 4.4.3. 有限元素法驗證 84 4.5. 結果與討論 87 4.5.1. 蒲松比之影響 87 4.5.2. 理論解與有限元素解之討論 89 第五章 結論 91 參考文獻 93 附錄A.1 FGM樑之振動統御方程式 95 附錄A.2 FGM樑任意邊界條件之自然頻率 98 附錄A.3 FGM樑與均質樑之自然頻率對應關係式 102

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