平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

基于概率配点法的岩土材料参数随机场及其响应分析

概率配点法是进行不确定性问题分析的一种有效方法。通过对输入参数场进行Karhunen-Loeve展开,将其表示为一系列独立随机变量在不同权重下的线性组合,再以与之相同的随机变量组合形成混沌多项式展开对输出随机场进行分解,通过某种算法选取随机变量的值,将其作为插值点的组合(配点),在这些配点上,概率方程演化为一个确定性问题方程。由此,可以直接利用现有软件或者确定性问题计算程序进行求解,生成混沌多项式的系数矩阵后,即可得到该随机问题的各阶统计矩,从而实现参数随机场的不确定性分析。本文将该方法引进岩土工程材料参数随机场,将体积模量视为输入随机场,位移视为输出场,分别进行了弹性及塑性变形计算。结果表明该方法极大地降低了随机问题的求解难度,与MC法(Mento Carlo)相比,减少了运算消耗,提高了计算效率,具有明显的优越性。     

基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法. 首先, 建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能. 其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0$^\circ$和90$^\circ$子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型. 在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好, 验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.      

轴弯曲与不平衡柔性转子共振稳态响应随机分析

系统参数随机性是影响准确预测转子动力学行为的重要因素。为此,研究了具有初始轴弯曲的不平衡柔性转子在故障参数随机情况下的不确定性分析问题。首先,基于转子动力学梁元有限元理论,推导了不平衡和轴弯曲故障共同作用下的系统稳态动力学方程,并以轴心轨迹长半轴作为关键响应量建立了柔性转子共振稳态响应与输入参数间的模型函数;其次,联合广义多项式混沌展开、留一法交叉验证以及最小角回归技术实现了柔性转子共振稳态响应的非嵌入式自适应稀疏多项式混沌展开,并与基于普通最小二乘法的多项式混沌展开和基于Monte Carlo仿真的结果作了对比分析,验证了自适应稀疏展开方案的有效性、精度和效率;最后,以构建的自适应稀疏多项式混沌展开式作为近似模型,重点分析了转子圆盘处一阶共振稳态响应的随机特性,并基于Sobol指标获得了响应对各故障参数的全局灵敏度指标。     

非嵌入式多项式混沌法在爆轰产物JWL参数评估中的应用

介绍了非嵌入多项式混沌法的数学模型,给出了非嵌入式多项式混沌法进行不确定度量化的主要步骤。采用此方法研究了平面、散心爆轰问题数值模拟中, JWL模型参数R₁、R₂服从均匀分布的随机变量时所引起的爆轰过程计算结果的不确度性,着重分析了爆轰传播过程中压力与密度的统计特性。研究结果表明,非嵌入式多项式混沌法可以为模型输入参数不确定性的传播对输出结果响应量的影响建立一种有效不确定度评估方法,为使用JWL模型时选取参数提供参考。     

基于多项式混沌方法对C-J爆轰参数不确定度的分析

Chapman-Jougeut理论是预测波后爆轰物理量状态的有力工具，但以往的研究未考虑模型中的不确定因素及其影响。事实上，不确定度会影响数值模拟的预测能力和可靠性。首先，通过剖析爆轰机理，深入挖掘爆轰建模与模拟中的不确定因素。假设PBX-9502的初始密度和爆速服从对数正态分布，结合真实的试验数据，通过参数估计和Anderson-Darling假设检验法标定初始密度和爆速的概率密度函数。Beta分布用以定量刻画没有物理意义的、唯象参数的不确定度，形状参数和支集源于工程经验。Rosenblatt变换将相关的、非Gauss随机变量转化成相互独立的标准正态分布。然后，使用非嵌入多项式混沌研究高维爆轰不确定度传播。具体而言，针对一元多项式混沌，正交多项式通过Gauss-Hilbert空间中的Gram-Schmidt方法导出，六点Gauss求积方法用以计算多项式混沌的系数。使用权重和Gauss求积点的全张量积计算多元多项式混沌。最后，通过多元多项式混沌得到感兴趣量的概率密度函数以及对应的期望、标准差和置信区间等Gauss统计量。研究结果表明：波后压力波动较大，置信区间较宽，与孙承纬的“爆轰压力...     

复合材料层合板的谱随机无网格伽辽金法

针对基于摄动理论的计算方法不适用于分析随机结构参数大变异问题,提出谱随机无网格伽辽金法,该方法基于随机场正交分解理论,将随机场采用Karhunen-Loève级数展开为一系列不相关随机变量,再引入结构位移随机响应的混沌多项式分解,结合无网格伽辽金法,从而导出含随机变量的复合材料层合板的谱随机无网格伽辽金法,给出结构响应的统计特征值的计算公式,该方法既适用于随机参数大变异情况,又具有无网格法的优势;数值算例结果表明该方法是正确有效的。     

基于逐步回归分析的随机响应面法

制约随机响应面法广泛应用的重要原因在于响应面展开式中的待定系数过多,计算效率不高.本文研究建立了改进的随机响应面法.首先,利用Nataf变换将给定边缘累积分布函数的相关随机变量转变为独立标准正态随机变量,进而将结构随机响应量描述为独立标准正态随机变量的混沌多项式展开式;然后,根据线性无关原则选取最优概率配点,并引入逐步回归分析剔除响应面展开项中的次要项,从而大幅减少展开式中的待定系数.算例分析表明,该方法具有较高的计算精度和效率.     

基于Copula理论的模糊可靠度隶属函数求解的自适应截断抽样法

针对工程中同时存在随机和模糊基本变量且随机概率信息不全的可靠性问题,利用Copula理论逼近随机基本变量的联合分布函数和联合概率密度函数,进而建立了Copula逼近基础上的模糊可靠度隶属函数求解的自适应截断抽样法。所建模型在Copula逼近基础上采用优化建模和迭代策略,交替考虑模糊不确定性和随机不确定性对功能函数的影响...     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

复合材料组分性能随机性识别的克里金随机分析方法

建立非均匀材料宏观力学性能与微结构参数之间的定量关系一直是人们所关心的问题,利用材料微结构参数和组分性能预报复合材料宏观力学性能,已经取得了很大的进展,然而已知复合材料宏观性能,如何开展组分性能的随机识别,目前的研究工作还不多见.论文考虑了复合材料的随机性,在已知复合材料宏观有效性能的随机性条件下,采用克里金随机分析方法,对复合材料组分性能的随机性进行识别,通过单向纤维复合材料的宏观有效性能的随机性,计算得到了纤维弹性模量的均值与方差,证明了该方法的有效性.     

基于迭代法的非线性弹性均质化研究

微观结构对复合材料的宏观力学性能具有至关重要的影响,通过合理设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能.均质化方法作为一种有效的设计方法,它从微观结构的角度出发,利用均匀化的概念,实现了对复合材料宏观力学性能的预测和设计.而当考虑非线性因素,均质化的实现就非常困难.本文利用双渐近展开方法,将位移按照宏观位移和微观位移展开,推导了非线性弹性均质化方程.通过直接迭代法,对非线性弹性均质化方程进行了求解,并给出了具体的迭代方法和实现步骤.本文基于迭代步骤和非线性弹性均质化方程编写MATLAB程序,对3种典型本构关系的周期性多孔材料平面问题进行了计算,对比细致模型的应变能、最大位移和等效泊松比,对程序及迭代方法的准确性进行了验证.之后对一种三元橡胶基复合材料进行多尺度均质化,将其分为芯丝尺度和层间尺度.用线弹性的均质化方法得到了芯丝尺度的等效弹性参数,并将其作为层间尺度的材料参数.在层间尺度应用非线性弹性均质化方法对结构进行计算,得到材料的宏观等效性能,并以实验结果为基准进行评价.     

基于迭代法的非线性弹性均质化研究

微观结构对复合材料的宏观力学性能具有至关重要的影响, 通过合理设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能. 均质化方法作为一种有效的设计方法, 它从微观结构的角度出发, 利用均匀化的概念, 实现了对复合材料宏观力学性能的预测和设计. 而当考虑非线性因素, 均质化的实现就非常困难. 本文利用双渐近展开方法, 将位移按照宏观位移和微观位移展开, 推导了非线性弹性均质化方程. 通过直接迭代法, 对非线性弹性均质化方程进行了求解, 并给出了具体的迭代方法和实现步骤. 本文基于迭代步骤和非线性弹性均质化方程编写MATLAB 程序, 对3种典型本构关系的周期性多孔材料平面问题进行了计算, 对比细致模型的应变能、最大位移和等效泊松比, 对程序及迭代方法的准确性进行了验证. 之后对一种三元橡胶基复合材料进行多尺度均质化, 将其分为芯丝尺度和层间尺度. 用线弹性的均质化方法得到了芯丝尺度的等效弹性参数, 并将其作为层间尺度的材料参数. 在层间尺度应用非线性弹性均质化方法对结构进行计算, 得到材料的宏观等效性能, 并以实验结果为基准进行评价.      

人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.      

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归纳。研究表明,三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的性能,而且与三维增强结构形式密切相关。通过对三维机织增强结 构的研究,获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系,强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影响。试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式,以分析三维机织结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献。理论分析方面较为成熟的研究是三维机织复合材料线弹性力学性能,其研究基础是层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型。而对强度及损伤方面的研究还有待于进一步的工作。本文对当前研究工作中的关键问题进行分析,并就今后的研究工作发表一些看法。      

三维编织复合材料模量的双尺度有限元计算

针对三维编织复合材料的力学性能进行了双尺度有限元(TSA)数值计算,给出了计算模型和算法过程,并将数值结果与文献中的实验数据进行了比较,验证了算法的物理准确性。编织复合材料的力学性能不仅依赖于材料的基本组份,也与细观构造相关。双尺度有限元计算可以数值模拟出三维编织复合材料的整体力学性能,从而为材料的研发提供指导。本文的双尺度有限元三维数值计算方法可以推广到其他增强／孔隙等多相复合材料的数值模拟。     

倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料的细观力学模型

利用平均化方法提出了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能分析的三维细观力学模型,对材料的弹性性能进行了预测。这个力学模型考虑了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料经向纤维束的弯曲和纬向纤维束的平直,纤维束的横截面形状尺寸和相邻纤维束之间的孔洞以及材料制造过程中碳纤维性能下降对弹性性能的影响。基于层合板理论,提出两种单胞应变状态假设分别对材料的九个弹性常数进行了推导计算,结果表明两种方法理论的预测值非常接近。计算结果与实验值比较吻合,表明所提出的细观力学模型是合理的,可以为纺织陶瓷基复合材料的优化设计提供有价值的参考。     

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件,而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素,计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力.为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征,本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确...     

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。     

基于PCE方法的翼型不确定性分析及稳健设计

由于能够获得一个既经济又对参数变化不敏感的设计结果,稳健型设计在工程设计中备受关注. 不确定性分析是稳健型设计的关键. 因此研究了基于混沌多项式的不确定性分析方法,并将其与CFD 方法结合,对计算空气动力学设计中的不确定性影响进行了量化分析. 首先以RAE2822 翼型为算例,对其跨音速马赫数不确定影响进行了分析,研究了多项式阶次对计算的影响,分析了平均流场和方差. 接着结合超临界翼型的马赫数稳健型设计验证了混沌多项式方法在稳健型设计中的有效性. 优化结果表明,稳健型优化后的翼型阻力系数明显降低,同时对于马赫数的敏感性显著减小. 通过分析表明混沌多项式方法能够大幅提高稳健型优化设计效率,能很好地应用于气动稳定性设计.