陶瓷基复合材料损伤行为建模及其不确定性量化方法

Ceramic Matrix Composites (CMC) exhibit obvious damage degradation and stochastic behavior under load. Accurate description of the above features with limited data is critical to structural analysis and safety design. In this regard, this project proposes the following method. Uncertainties in: 1) properties of undamaged material and the following damage process; 2) predictions made by empirical model fitted with sparse samples, are incorporated into the constitutive model, in order to characterize the uncertainties in CMC mechanical behavior and the corresponding modeling error. Then the constitutive model can be employed to quantify the effect of the above uncertainties and errors in structural simulation, and identify optimal calibration strategy for constitutive model. Based on the above propositions, the project intends to carry out the following research: constitutive modeling for CMC damage behavior under high temperature, development of characterization method for uncertainties in material behavior and constitutive modeling, development of key uncertainty identification method, and experimental validation of the above methods.

陶瓷基复合材料（CMC）受载时的损伤及其离散性特征明显。如何利用有限的数据准确描述上述特征，是影响结构分析与安全设计的重要问题。本项目拟在本构模型中引入：1）材料初始材料性能与损伤过程的随机性，2）有限数据拟合建立的经验本构模型预测误差区间，使得CMC本构模型自身能够描述材料力学行为离散性及其建模中的误差。进而为分析上述两类不确定性因素对结构响应预测及结果置信度的影响，及本构模型的针对性改进提供量化的方法和依据。基于上述思路，本项目拟开展CMC高温损伤本构建模，材料力学行为离散性与建模误差表征，及关键误差辨识方法研究，并进行方法的试验验证。

陶瓷基复合材料是高速飞行器热端部件的关键使能材料，其力学损伤劣化行为及相关随机性的表征与分析，是结构失效模式分析与强度评估、可靠性评价与安全性设计的关键。本项目以C/SiC材料及结构为典型研究对象，开展材料损伤劣化非线性及其随机性的本构建模、本构模型误差表征、以及数据驱动的本构模型修正方法研究，并开展在典型结构样件中的应用与试验验证。本项目研究中，通过在损伤势函数中引入不确定性因子，构建了材料损伤/离散性行为协同表征方法，弥补了弹性参数不能表征材料损伤行为随机性的不足；利用高斯过程模型，首次给出了本构模型在外推和内插时存在固有误差的量化方法，为小样本拟合本构模型预测结果置信度评价提供关键依据；发展了不确定性量化的多置信度计算方法，大尺度结构非线性响应不确定性量化分析效率提升1-2个数量级；发展了基于贝叶斯理论、数据驱动的本构模型修正与更新方法，开展了动态数据驱动的陶瓷基复合材料损伤模型在线学习演示验证。研究成果使得当前的热结构强度分析与设计方法不再局限于理想的线弹性假设与经验安全系数设计，能够在结构尺度分析中引入复合材料刚度损伤劣化与随机性等关键力学行为特性，以准确捕获失效模式与结构安全余量，从整体上提升重大装备结构设计水平与结构效能，部分成果已经在典型结构中取得应用。