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
发布时间：2024-01-20 17:14
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(Ceramic Matrix Composites,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(3k T300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...
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 典型陶瓷基复合材料及应用
1.3 复合材料结构损伤失效分析方法
1.3.1 微细观渐进损伤分析
1.3.2 宏观非线性本构建模
1.3.3 微细观-宏观的跨尺度方法
1.4 不确定性量化方法
1.4.1 理论与方法研究进展
1.4.2 在复合材料中的应用
1.5 模型验证与确认
1.6 当前研究的不足与本文主要内容
第2章 C/SIC复合材料损伤与非线性本构模型
2.1 引言
2.2 C/SIC材料损伤与非线性力学行为分析
2.2.1 力学性能试验方法
2.2.2 简单应力状态下力学行为
2.2.3 组合应力状态下力学行为
2.3 基于热力学势的宏观非线性本构模型
2.3.1 损伤与残余应变演化建模
2.3.2 本构模型的参数辨识
2.3.3 数值计算方法
2.4 本构模型的试验验证
2.4.1 平面应力状态下的验证
2.4.2 四点弯曲状态下的验证
2.5 本章小结
第3章 材料非线性行为不确定性的表征
3.1 引言
3.2 小样本下的参数不确定性表征方法
3.2.1 表征方法概述
3.2.2 人工解验证方法
3.2.3 方法的对比分析
3.3 材料非线性行为不确定性的模拟
3.3.1 材料行为不确定性模拟方法
3.3.2 小样本下本构模型参数表征
3.3.3 方法的验证与确认
3.4 试验数据驱动的本构模型改进
3.4.1 本构模型参数敏感性分析
3.4.2 本构模型的不确定性参数修正
3.4.3 本构模型形式误差表征与修正
3.5 本章小结
第4章 结构响应不确定性量化的多置信度方法
4.1 引言
4.2 结构非线性响应的快速求解方法
4.2.1 线弹性全局模型的降阶求解
4.2.2 非线性响应求解的子模型方法
4.2.3 开孔板算例分析
4.3 基于稀疏多项式混沌展开的响应逼近
4.3.1 多项式混沌展开方法
4.3.2 展开系数的随机配置求解
4.3.3 开孔板算例分析
4.4 不确定性传播方法及评价
4.4.1 QuasiMonte-Carlo模拟
4.4.2 基于PCE的不确定性传播方法
4.4.3 方法性能评价及对比
4.5 本章小结
第5章 典型结构响应不确定性量化及试验验证
5.1 引言
5.2 典型结构及其力学试验方法
5.2.1 典型结构及其受载特征
5.2.2 验证试验实施方案
5.2.3 典型结构试验结果分析
5.3 典型结构的非线性响应数值分析
5.3.1 典型结构的有限元分析模型
5.3.2 非线性响应分析结果
5.4 典型结构响应的不确定性量化
5.4.1 不确定性来源分析
5.4.2 结构响应不确定性量化方法
5.5 模型与试验结果的对比及验证
5.5.1 单点应变模拟与试验结果对比
5.5.2 应变场模拟与试验结果对比
5.6 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3881231
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 典型陶瓷基复合材料及应用
1.3 复合材料结构损伤失效分析方法
1.3.1 微细观渐进损伤分析
1.3.2 宏观非线性本构建模
1.3.3 微细观-宏观的跨尺度方法
1.4 不确定性量化方法
1.4.1 理论与方法研究进展
1.4.2 在复合材料中的应用
1.5 模型验证与确认
1.6 当前研究的不足与本文主要内容
第2章 C/SIC复合材料损伤与非线性本构模型
2.1 引言
2.2 C/SIC材料损伤与非线性力学行为分析
2.2.1 力学性能试验方法
2.2.2 简单应力状态下力学行为
2.2.3 组合应力状态下力学行为
2.3 基于热力学势的宏观非线性本构模型
2.3.1 损伤与残余应变演化建模
2.3.2 本构模型的参数辨识
2.3.3 数值计算方法
2.4 本构模型的试验验证
2.4.1 平面应力状态下的验证
2.4.2 四点弯曲状态下的验证
2.5 本章小结
第3章 材料非线性行为不确定性的表征
3.1 引言
3.2 小样本下的参数不确定性表征方法
3.2.1 表征方法概述
3.2.2 人工解验证方法
3.2.3 方法的对比分析
3.3 材料非线性行为不确定性的模拟
3.3.1 材料行为不确定性模拟方法
3.3.2 小样本下本构模型参数表征
3.3.3 方法的验证与确认
3.4 试验数据驱动的本构模型改进
3.4.1 本构模型参数敏感性分析
3.4.2 本构模型的不确定性参数修正
3.4.3 本构模型形式误差表征与修正
3.5 本章小结
第4章 结构响应不确定性量化的多置信度方法
4.1 引言
4.2 结构非线性响应的快速求解方法
4.2.1 线弹性全局模型的降阶求解
4.2.2 非线性响应求解的子模型方法
4.2.3 开孔板算例分析
4.3 基于稀疏多项式混沌展开的响应逼近
4.3.1 多项式混沌展开方法
4.3.2 展开系数的随机配置求解
4.3.3 开孔板算例分析
4.4 不确定性传播方法及评价
4.4.1 QuasiMonte-Carlo模拟
4.4.2 基于PCE的不确定性传播方法
4.4.3 方法性能评价及对比
4.5 本章小结
第5章 典型结构响应不确定性量化及试验验证
5.1 引言
5.2 典型结构及其力学试验方法
5.2.1 典型结构及其受载特征
5.2.2 验证试验实施方案
5.2.3 典型结构试验结果分析
5.3 典型结构的非线性响应数值分析
5.3.1 典型结构的有限元分析模型
5.3.2 非线性响应分析结果
5.4 典型结构响应的不确定性量化
5.4.1 不确定性来源分析
5.4.2 结构响应不确定性量化方法
5.5 模型与试验结果的对比及验证
5.5.1 单点应变模拟与试验结果对比
5.5.2 应变场模拟与试验结果对比
5.6 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
本文编号：3881231
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3881231.html
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