计及非局部阻尼效应的复合材料结构多尺度分析及动特性一体化优化设计

The integrated optimization design of composite materials and structures is an effective way to achieve high-performance intelligent structure. The project is forced on resin-matrix composite materials, which consider the characteristic parameter of microstructure, the influence of the non-local damping and the environmental effects including temperature, amplitude and frequency. The composite constitutive relations of the composite material can be established based on micro mechanic methods and non-local theory. Numerical dynamic analysis of composite material will be efficiently addressed in terms of multiscale finite element method (FEM) to predict the update of the micro and macro structures. Based on the previous studies, we attempt to obtain a practical non-local viscoelastic damping model, which depends on the time history and the velocities within a spatial domain, by comparatively studying the influence of the dynamic characteristic of multiscale effect in terms of multiscale FEM and dynamic experiments. The model of integrated optimization design and the map of the multiscale analysis need to be studied. To efficiently solve the optimization problem, some highly efficient numerical solution strategy and algorithm will be presented. The dynamic performance prediction algorithm to the change of microstructure needs to be also addressed for the purpose of highly efficient numerical analysis. The design sensitivity analysis forced on the structural and geometrical variables is attempted to accurately carry out and adapts for highly efficient numerical analysis. Finally, we attempt to develop a design platform that can give an optimal micro and macro structure to satisfy the performance constraint.

复合材料结构一体化设计是实现高性能智能结构的有效途径。本项目以树脂基复合材料为对象，应用非局部理论、细观计算力学和试验测试方法，计及复合材料微观结构特征参数及非局部效应，以及温度、频率、幅值等宏观环境参数，建立树脂基复合材料的本构关系及揭示复合材料微观结构组织和宏观性能演化的多尺度有限元模拟模型，通过多尺度模拟分析与性能对比试验，构建适于工程应用的树脂基复合材料非局部卷积型阻尼模型。研究树脂基复合材料结构多尺度一体化优化设计的建模及多尺度的连接范式，提出实现微宏观跨尺度多变量耦合的求解策略及相应的求解技术；研究复合材料多尺度动态优化过程中微结构均匀化进化的性能预测加速算法，发展面向复合材料微结构特征参数和结构几何参数的动态优化灵敏度计算理论和方法，研制高效稳定的多尺度一体化优化算法和树脂基复合材料多尺度一体化动态优化设计平台，实现满足性能要求的树脂基复合材料微观构型、宏观结构的最优设计。

本项目旨在计及材料的非局部效应，研究复合材料阻尼效应表达，建立面向结构动力学的复合材料-结构（微观-宏观）的一体化设计方法，为机械结构的动态设计奠定理论基础。本项目从四个方面进行研究：.首先，本项目根据细观力学方法与实验方法构建了复合材料宏观性能的等效预测模型，并定义了动力学问题的一般阻尼系统。通过频率、温度扫描动态试验，研究了不同微结构（增强相）影响的树脂基复合材料阻尼特性，并识别了其宏观等效阻尼模型的主要参数。.其次，兼顾非均匀复合材料的硬化和软化效应，提出了一种计及非局部应变和应力影响的微分型非局部模型。分析了非局部材料参数、结构参数及边界条件对复合材料结构性能的影响趋势。建立了微观构型与非局部参数之间的关系，实现了从非连续、非均匀模型到等效连续均匀模型的构建及复合材料跨尺度分析的理论建模。.然后，面向工程中广泛存在一般阻尼动力学的求解问题，基于非局部模型，发展了微分求积法和有限元法，建立了一套有效的多尺度数值计算模型。分别在物理域、模态域、状态空间提出了适用于粘弹性复合材料的特征值、响应和敏度的求解方法。并针对重特征值导致的系统奇异性问题，提出了一种新的特征向量归一化策略，实现了系统特征向量灵敏度准确、高效的计算，为一般阻尼动力学系统多尺度一体化优化设计提供了有效工具。.最后，构建了复合材料静/动特性一体化优化模型，建立了计及非局部效应的多尺度连接范式，研究了一体化优化策略，并研制开发了复合材料结构多尺度一体化动态优化设计原型系统，实现了复合材料静/动特性的宏观材料分布与微观构型的一体化设计。.在本项目资助下共培养博士研究生5名（2人已获博士学位），硕士研究生4名（3人已获硕士学位），其中获湖北省优秀博士论文1篇。在国际知名期刊共发表SCI论文29篇，国际会议论文6篇，申请软件著作权一项。SCI论文总被引次数700余次，其中ESI高被引论文8篇，1篇获2016年“中国百篇最具影响国际学术论文”奖。