功能梯度结构的热力变形：弯曲、屈曲与振动
热防护是高温服役环境下重大装备面临的重大挑战，功能梯度材料应运而生，并得到不断的拓展与应用。
热防护是高温服役环境下重大装备领域，如重型燃气轮机、航空发动机、航天发动机、高超飞行器等，必须解决但尚未很好解决的难题。人们为此付出了巨大努力，提出了不同的解决方案，其中一种解决方案是在金属主承力结构表面制备适当厚度的陶瓷涂层来实现热防护，该涂层称为热障涂层。除防热功能外，热障涂层还能为金属主承力结构提供其他防护，如防止腐蚀、氧化、外来物冲击损伤等。然而，由于金属和陶瓷的热学、力学等参量的失配，金属和陶瓷之间的界面会产生热落差变形，进而产生界面热应力。当热应力达到临界值时，热障涂层结构会失效，甚至引发事故。
为了缓和上述界面上的热应力，人们提出了消除明显界面的新结构想法，即通过逐渐改变界面附近陶瓷和金属组分的体积分数，获得陶瓷和金属组分连续变化的结构，兼顾热防护和强韧两个方面，这样能缓和甚至消除界面热应力。这个想法是1984 年提出的，功能梯度材料应运而生。后来，功能梯度材料的概念得到推广与拓展，各种功能梯度材料与结构不断涌现，在力学、航空、航天、能源、动力、材料、电子、生物医学等领域展现出广阔的应用前景。按照材料组成，可分为金属–金属、金属–非金属、非金属–非金属等功能梯度材料；按照梯度性质，可分为密度梯度、多孔梯度、物理性质梯度、力学性质梯度等功能梯度材料；也可综合地分为热应力缓和、能量调控、生物相容等功能梯度材料。
▲ 陶瓷–金属功能梯度材料组分及性能变化示意图
逐渐改变材料组分的体积分数而不使其在界面上产生突变，就可以缓减或消除材料失配问题，从而达到缓减或消除界面热应力、残余应力及应力集中的目的。以陶瓷–金属功能梯度材料板为例，陶瓷和金属组分沿厚度方向逐渐变化，如图示，从而可消除明显的陶瓷–金属界面和材料失配问题，这样就会大大缓和界面热应力。另外，陶瓷侧可耐高温，金属侧可提供足够的强韧性，从而实现结构防热与承载的完美结合。
功能梯度结构的基本特点是，各材料组分沿结构的厚度或特定方向逐渐变化，其物理及力学性质也相应地沿结构的厚度或特定方向连续梯度变化，这时材料性质不再是常数，而是位置的函数，也可能是位置和温度的函数。因此，功能梯度结构的温度场与热弹性场的控制方程就变成非线性方程，大大增加了求解难度。功能梯度结构有异于传统均匀材料结构，其热力变形行为与众不同，热力弯曲、屈曲与过屈曲、振动等变形行为也十分复杂，甚至存在一些奇特现象，如功能梯度结构中可能发生多构型变形、前屈曲耦合变形等，这对结构的弯曲及稳定性等有显著影响。另外，各类惯性，如横向惯性、转动惯性、面内惯性、耦合惯性等，对功能梯度结构的振动特性也有重要影响。
功能梯度结构的提出、发展与应用为先进装备研发及工程技术应用提供了新思路，也给力学研究提出了新问题。和初期机械工业一样，力学及结构强度设计必然成为功能梯度结构设计与分析中的基础环节。因此，研究功能梯度结构的线性和非线性热力变形，既可丰富和发展弹性力学基本理论，也可为热防护结构及相关先进功能梯度结构的设计与分析提供理论基础与方法。
从2000 年开始，《功能梯度结构的热力变形：弯曲、屈曲与振动》（王铁军, 马连生, 张靖华著. 北京：科学出版社，2024.6）一书作者就开始研究功能梯度结构的热力变形问题，包括梁、板、壳等基本结构单元的线性和非线性热力弯曲、屈曲与过屈曲、振动，涉及功能梯度结构的热力耦合变形机理等。
全书共10 章，分为4 部分，第1 部分（第1 章）是近三十多年功能梯度结构热力变形的研究概况，包括功能梯度材料及其性能表征，功能梯度结构的热力弯曲、热力屈曲与过屈曲、热力振动等；第2 部分（第2∼4 章）是功能梯度梁的线性和非线性热力变形及振动；第3 部分（第5∼8 章）是功能梯度板的线性和非线性热力变形及振动；第4 部分（第9∼10 章）是截顶功能梯度圆锥壳的线性和非线性热力弯曲变形及振动。本书由王铁军统稿，第1∼8 章由马连生和王铁军撰写，第9∼10 章由张靖华撰写。
希望本书能为功能梯度结构的深入研究提供思路，为功能梯度材料研发、热防护结构及相关先进结构的设计与分析提供参考，为力学、航空、航天、能源、动力、材料、电子、生物医学等相关领域的技术人员提供参考。
本文摘编自《功能梯度结构的热力变形：弯曲、屈曲与振动》（王铁军, 马连生, 张靖华著. 北京：科学出版社，2024.6）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
（国家科学技术学术著作出版基金项目）
ISBN 978-7-03-077385-2
责任编辑：
宋无汗，15902971152
郑小羽，18049634557
热防护是高温服役环境下重大装备面临的重大挑战，功能梯度材料应运而生，并得到不断的拓展与应用。本书主要介绍功能梯度结构的线性和非线性热力变形，包括梁、板、壳等基本结构单元的弯曲、屈曲、振动等。全书共10 章，第1 章介绍功能梯度结构热力变形研究概况，第2～4 章介绍功能梯度梁的线性和非线性热力变形及振动，第5～8 章介绍功能梯度板的线性和非线性热力变形及振动，第9～10 章介绍截顶功能梯度圆锥壳的线性和非线性热力弯曲变形及振动。
