複合材料結構可靠性分析與最佳化設計的多尺度方法研究

《複合材料結構可靠性分析與最佳化設計的多尺度方法研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由張書鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：複合材料結構可靠性分析與最佳化設計的多尺度方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張書鋒
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

現代航空航天裝備的一個重要發展趨勢是大量套用輕質高強的複合材料結構。然而，複合材料的性能具有較大的分散性，因此準確的結構可靠度分析以及基於可靠度的結構最佳化設計是複合材料結構得以高效套用的關鍵。目前的複合材料結構可靠性研究僅考慮單一尺度（巨觀尺度）隨機性，存在結構可靠性分析不全面、結構性能分散根源不明晰、結構最佳化設計不充分等問題，因此本項目提出複合材料結構可靠性分析和最佳化設計的多尺度方法：以研究巨觀、細觀參數隨機性的傳遞關係為出發點，合理結合巨觀、細觀隨機參數進行結構可靠度評估，並求得結構可靠度對巨觀、細觀參數的靈敏度，進而研究協同最佳化巨觀、細觀參數的結構可靠性最佳化設計方法。與現有的研究相比，將更準確的評估結構可靠度，更全面認知影響結構可靠性水平的主要因素，進一步提高結構最佳化程度，為航空航天裝備中複合材料結構的高效套用提供理論和方法支撐。

結題摘要

複合材料結構已經成為現代航天航空裝備的重要結構形式之一。然而複合材料的性能分散性較大，因此準確的結構可靠性分析及基於可靠性的結構最佳化設計是複合材料得以有效套用的關鍵。基於複合材料細觀力學與蒙特卡洛仿真，研究了細觀隨機性和巨觀隨機性的傳遞關係，發現複合材料巨觀力學性能之間存在統計相關性，此相關性嚴重依賴於纖維體積分數的不確定性。提出了新的模擬纖維隨機分布的數學算法，採用非線性三維有限元分析了纖維隨機分布對單向複合材料強度的影響，得到了複合材料壓縮強度的統計分布特徵。通過對比考慮與忽略複合材料巨觀力學性能相關性情形下的複合材料結構可靠性，發現彈性參數之間的相關性對複合材料結構可靠性影響較大。分析了不同情形下鋪層厚度不確定性對結構可靠性的影響，發現纖維與基體引起的厚度不確定性會帶來非常不同的結構可靠性。提出了基於遺傳算法的協同巨觀細觀參數的複合材料結構可靠性最佳化設計方法，發現在複合材料結構承受彎矩的情況下，協同巨觀細觀參數結構可靠性最佳化更加充分，以某型飛機起落架複合材料構件為例，協同巨觀細觀參數的複合材料結構可靠性最佳化可比當前設計減重約15%。本項目從多尺度的角度更加深刻的揭示了複合材料力學性能分散性大的根本原因以及複合材料結構可靠性評估應該注意的多尺度隨機性問題，同時為更充分的結構最佳化設計提供了方法和手段，為航天航空裝備中複合材料結構的高效套用提供理論方法支撐。