近幾十年來,復(fù)合材料已成為一種重要的工業(yè)材料,并在航空、航天等特殊領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。與傳統(tǒng)材料不同,復(fù)合材料在細(xì)觀尺度上由兩相或多相材料按特定的設(shè)計(jì)方式組合而成,因此其宏觀尺度的屬性由組分材料及細(xì)觀組成方式等因素決定。同時(shí),復(fù)合材料的宏觀變形與破壞也由宏、細(xì)觀多種機(jī)制共同決定。因此,無論是在材料設(shè)計(jì)階段還是在變形與破壞分析階段,復(fù)合材料的宏-細(xì)觀力學(xué)行為研究均是當(dāng)前該領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。宏-細(xì)觀力學(xué)分析的關(guān)鍵是建立宏觀參數(shù)與細(xì)觀參數(shù)之間的定量關(guān)系,但是,隨著細(xì)觀尺度可設(shè)計(jì)參數(shù)的增多,傳統(tǒng)分析手段很難同時(shí)有效地處理多個(gè)細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)之間的關(guān)系。為了解決這一問題,本文提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的復(fù)合材料力學(xué)研究方法,該方法避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)推演與假設(shè),且應(yīng)用范圍不局限于特定的復(fù)合材料類型,同時(shí)能夠在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的未知規(guī)律,為復(fù)合材料力學(xué)的研究提供了新的思路與方法。論文的主要內(nèi)容如下：(1)為了構(gòu)建細(xì)觀尺度代表性體元(Representative volume element,簡稱RVE)模型,建立了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀隨機(jī)分布重構(gòu)程序和基于圖像光滑重構(gòu)程序,程序中包含了細(xì)觀幾何參數(shù)及分布規(guī)律調(diào)節(jié)、有限元網(wǎng)格劃分、周期性邊界條件施加與內(nèi)聚力單元插入等功能。同時(shí),提出了基于圖像的光滑重構(gòu)方法,與傳統(tǒng)方法相比,該方法能夠在材料界面位置有效地消除鋸齒單元,在界面應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展等模擬中具有更高的精度。(2)利用隨機(jī)分布重構(gòu)程序構(gòu)建了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的RVE模型,提出了樹脂基體的溫度、應(yīng)變率相關(guān)彈塑性本構(gòu)模型,該基體模型在不同溫度、應(yīng)變率條件下均與實(shí)驗(yàn)吻合良好。同時(shí),采用該本構(gòu)模型作為組分材料的RVE模型獲得了與實(shí)驗(yàn)吻合良好的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由此可見,在細(xì)觀幾何重構(gòu)模型與組分材料屬性準(zhǔn)確的情況下,RVE模型能夠可靠地預(yù)測復(fù)合材料宏觀屬性。(3)提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的宏-細(xì)觀材料屬性預(yù)測方法。在該方法中,數(shù)據(jù)庫來源于具有不同細(xì)觀設(shè)計(jì)參數(shù)的RVE模型,通過利用基于張量分解的數(shù)據(jù)挖掘方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維與低維擬合,得到宏觀材料屬性與細(xì)觀設(shè)計(jì)參數(shù)之間的定量關(guān)系。在此,以顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料為例,分析了多種細(xì)觀設(shè)計(jì)參數(shù)與宏觀彈性模量、強(qiáng)度及剩余模量之間的定量關(guān)系,并討論了張量分解參數(shù)對結(jié)果的影響。(4)通過對數(shù)據(jù)挖掘方法的擴(kuò)展,提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的層級多尺度方法,該方法在細(xì)觀尺度上利用非正交周期邊界條件與實(shí)時(shí)均勻化方法對復(fù)雜變形的RVE進(jìn)行分析并建立切線模量數(shù)據(jù)庫；在宏觀尺度上通過調(diào)用細(xì)觀切線模量的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果進(jìn)行本構(gòu)更新。研究表明,該方法能夠有效地修正傳統(tǒng)層級多尺度方法在大變形時(shí)的誤差,與直接數(shù)值模擬(Direct numerical simulation,簡稱DNS)結(jié)果吻合良好。(5)針對功能梯度復(fù)合材料斷裂問題,將基于數(shù)據(jù)挖掘的材料屬性預(yù)測方法與動態(tài)分段指數(shù)模型結(jié)合,以材料設(shè)計(jì)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行研究,分析了梯度比例、梯度形式、裂紋長度和裂紋位置等因素對功能梯度復(fù)合材料中裂紋動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB33;TP311.13
文章目錄
摘要
Abstract
第1章 緒論
1.1 課題來源及研究的目的和意義
1.2 復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀
1.3 復(fù)合材料力學(xué)研究現(xiàn)狀
1.3.1 宏觀力學(xué)研究方法
1.3.2 細(xì)觀力學(xué)研究方法
1.3.3 多尺度力學(xué)研究方法
1.4 數(shù)據(jù)挖掘方法研究現(xiàn)狀
1.5 本文主要研究內(nèi)容
第2章 復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元重構(gòu)方法研究
2.1 引言
2.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法比較
2.2.1 周期分布重構(gòu)方法
2.2.2 隨機(jī)分布重構(gòu)方法
2.2.3 基于圖像的重構(gòu)方法
2.2.4 三種重構(gòu)方法的應(yīng)用范圍
2.3 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的隨機(jī)重構(gòu)程序設(shè)計(jì)
2.3.1 隨機(jī)顆粒生成算法
2.3.2 有限元模型建立
2.3.3 內(nèi)聚力單元插入算法
2.3.4 隨機(jī)分布重構(gòu)程序框架
2.4 基于圖像的光滑重構(gòu)方法研究
2.4.1 數(shù)字圖像獲取
2.4.2 數(shù)字濾波光滑算法
2.4.3 轉(zhuǎn)換單元光滑算法
2.4.4 光滑重構(gòu)方法對界面應(yīng)力的影響
2.4.5 光滑重構(gòu)方法對界面裂紋的影響
2.4.6 光滑重構(gòu)對顆粒增強(qiáng)材料中裂紋的影響
2.5 本章小結(jié)
第3章 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的宏-細(xì)觀材料屬性研究
3.1 引言
3.2 樹脂基體的塑性本構(gòu)研究
3.2.1 拋物面屈服準(zhǔn)則
3.2.2 非關(guān)聯(lián)流動法則
3.2.3 溫度、應(yīng)變率相關(guān)硬化規(guī)律
3.2.4 有限元實(shí)現(xiàn)方法
3.2.5 結(jié)果與驗(yàn)證
3.3 代表性體元的建立
3.4 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料宏觀材料屬性研究
3.4.1 組分材料參數(shù)
3.4.2 應(yīng)力、應(yīng)變均勻化方法
3.4.3 橫向壓縮預(yù)測及實(shí)驗(yàn)比較
3.4.4 偏軸壓縮預(yù)測及實(shí)驗(yàn)比較
3.5 折曲破壞現(xiàn)象模擬
3.5.1 折曲破壞現(xiàn)象描述
3.5.2 結(jié)果與分析
3.6 本章小結(jié)
第4章 基于數(shù)據(jù)挖掘的宏-細(xì)觀復(fù)合材料屬性預(yù)測方法
4.1 引言
4.2 基于張量分解的數(shù)據(jù)挖掘方法簡介
4.2.1 數(shù)據(jù)挖掘方法簡介
4.2.2 數(shù)據(jù)庫的獲取
4.2.3 數(shù)據(jù)可視化與預(yù)處理
4.2.4 張量分解方法簡介
4.3 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的屬性預(yù)測
4.3.1 細(xì)觀代表性體元模型的建立
4.3.2 宏觀屬性參數(shù)的提取方法
4.3.3 宏-細(xì)觀數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法
4.3.4 細(xì)觀設(shè)計(jì)參數(shù)篩選
4.3.5 數(shù)據(jù)挖掘與分析
4.4 宏觀材料屬性的預(yù)測結(jié)果與分析
4.4.1 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量分析
4.4.2 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度分析
4.4.3 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的剩余模量分析
4.5 張量分解參數(shù)研究
4.5.1 分解秩數(shù)對結(jié)果的影
4.5.2 缺失元素比例對結(jié)果的影響
4.5.3 CP分解與TUCKER分解的比較
4.6 宏觀本構(gòu)關(guān)系的預(yù)測
4.6.1 宏觀本構(gòu)方程的求解
4.6.2 結(jié)果與驗(yàn)證
4.6.3 基于數(shù)據(jù)挖掘本構(gòu)的應(yīng)用
4.7 本章小結(jié)
第5章 基于數(shù)據(jù)挖掘的層級多尺度方法研究
5.1 引言
5.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的層級多尺度方法簡介
5.2.1 漸近展開均勻化理論
5.2.2 基于數(shù)據(jù)挖掘的層級多尺度方法求解流程
5.3 基于切線模量的宏觀本構(gòu)方程
5.4 細(xì)觀等效模量數(shù)據(jù)庫的求解方法
5.4.1 非正交坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法
5.4.2 實(shí)時(shí)均勻化方法
5.4.3 結(jié)果與討論
5.5 數(shù)據(jù)分析與挖掘
5.5.1 切線模量數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生
5.5.2 基于張量分解的數(shù)據(jù)挖掘方法
5.5.3 分解秩數(shù)的誤差分析
5.6 結(jié)果與討論
5.6.1 單向拉伸加載模擬
5.6.2 懸臂彎曲加載模擬
5.7 本章小結(jié)
第6章 功能梯度復(fù)合材料宏-細(xì)觀動態(tài)斷裂問題研究
6.1 引言
6.2 梯度參數(shù)的細(xì)觀尺度求解
6.3 宏觀動態(tài)分段指數(shù)模型
6.4 模型的驗(yàn)證
6.4.1 收斂性驗(yàn)證
6.4.2 均勻材料驗(yàn)證
6.4.3 功能梯度復(fù)合材料驗(yàn)證
6.5 結(jié)果與討論
6.5.1 梯度比例對動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響
6.5.2 梯度形式對動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響
6.5.3 裂紋位置對動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響
6.5.4 各個(gè)參數(shù)與動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的相關(guān)性分析
6.5.5 動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子穩(wěn)態(tài)值與峰值之間的關(guān)系研究
6.6 本章小結(jié)
結(jié)論
附錄
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個(gè)人簡歷
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