陶瓷基复合材料损伤行为及其结构响应的不确定性量化方法.pdf

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1、博士学位论文陶瓷基复合材料损伤行为及其结构响应的不确定性量化方法UNCERTAINTYQUANTIFICATIONMETHODFORDAMAGEBEHAVIORANDSTRUCTURALRESPONSESOFCERAMICMATRIXCOMPOSITES杨强哈尔滨工业大学2018年5月国内图书分类号：V414.1学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学博士学位论文陶瓷基复合材料损伤行为及其结构响应的不确定性量化方法博士研究生：杨强导师：杜善义院士副导师孟松鹤教授申请学位：工学博士学科：工程力学所在单位：航天学院答辩日期：2018年5月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:V414.1U.D.C:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringUNCERTAINTYQUANTIFICATIONMETHODFORDAMAGEBEHAVIORANDSTRUCTURALRESPONSESOFCERAMICMATRIXCOMPOSITESCandidate：YangQiangSupervisor：Prof.DuShanyiAssistantsupervisor：Prof.MengSongheAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngine

3、eringSpecialty：EngineeringMechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefense：May,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要为提升结构效率并保证承载性能，高速飞行器热防护结构中大量运用陶瓷基复合材料（CeramicMatrixComposites,CMC）。但这类材料的工艺过程导致其内部存在大量缺陷，材料微细观几何特征复杂。材料受载时表现出明显的损伤退化特性，且损伤过程表现出显著的随机性。对上述特征表征的不

4、足影响着CMC结构力学分析结果的有效性。为满足未来飞行器设计对结构重量与可靠性的苛刻要求，迫切地需要发展更为准确的陶瓷基复合材料结构响应分析方法，以及分析结果不确定性的量化方法。本文以一种典型的陶瓷基复合材料C/SiC材料及结构（3kT300平纹编织、PIP工艺）为研究对象，主要开展材料损伤本构建模、材料非线性行为不确定性的表征、结构响应不确定性量化方法及试验验证工作，以期提升陶瓷基复合材料结构分析方法的有效性。针对C/SiC材料损伤引起的力学行为非线性问题，利用正轴与偏轴拉伸/压缩力学性能试验、及面内剪切力学性能试验，获取C/SiC材料在简单与复杂应力状态下的损伤退化与残余应变

5、演化特征。基于热力学定律与连续介质损伤力学理论建立该材料的宏观非线性本构模型，引入依赖于应力状态的损伤耦合系数及屈服面对模型进行改进，并给出相应的有限元增量求解方法。利用该本构模型所预测的多种平面应力状态下材料弹性与非弹性应变结果与试验结果吻合良好，所预测的材料弯曲受载时的双模量特征与应变结果与试验结果一致。针对样本少、数据来源复杂条件下材料行为随机性表征的问题，通过在本构模型中引入参数不确定性，结合小样本表征方法，建立并验证材料行为随机性的简化模拟方法。通过人工解方法，对比研究极值区间、容差区间、核密度估计及证据理论共四种参数不确定性表征方法的可靠性与误差。利用该方法结合参数敏

6、感性的研究表明，材料损伤阶段的力学行为随机性更为明显，且材料行为的不确定性依赖于载荷状态。在获取更多的数据条件下，利用贝叶斯定理，建立本构模型参数及模型形式误差两类因素的修正方法，并给出“随机游动+Gibbs”混合后验分布抽样方法，进而开展数据驱动的本构模型更新研究。上述方法为在结构计算中引入材料行为不确定性奠定基础。针对从材料不确定性来获取结构响应不确定性的传播分析计算中的效率瓶颈，利用“全局模型+子模型”的多级策略，其中全局模型采用线弹性降阶求解，再将非线性分析限制在子模型区域内，构建低置信度但高效的非线性响应的求解方法。通过多项式混沌展开结合压缩感知方法获取稀疏解，构建响应

7、-I-哈尔滨工业大学博士学位论文的逼近模型及高维不确定性参数下的快速不确定性量化方法。利用非线性全局模型的高置信度计算结果来估计多项式混沌展开逼近与子模型方法的误差，通过少量误差样本建立结构响应前四阶统计矩求解结果的修正方法。从效率、精度、准度、可靠性四个方面对比Quasi-Monte-Carlo模拟与本文方法的性能。结果表明本文所建立的多置信度不确定性传播求解策略能够在相同的准确度、精度与可靠性下，将分析效率提升1~2个数量级。在上述的研究的基础上，开展典型C/SiC结构损伤与