确定性和不确定性疲劳与断裂问题的综合研究及其工程应用

With the development of aerospace science and technology, the structure of aircraft is becoming larger and more and more complex. However, in the face of complex and multivariate service environment, the importance of structural fatigue and fracture problems has caused widespread concern. The related uncertain and nonlinear problem and the coupling of these two problems have become more and more prominent. The aircraft structural incidents of the aerospace developed countries， including those happening on F35B fighters, indicate that the above problem have not been solved well. Therefore, the following work need to be performed, e.g. the accurate prediction of structural fatigue and fracture numerical model and its efficient solution, the high precision forecast method of the structural fatigue life response law under the uncertain framework, the comprehensive comparison and evaluation method of the deterministic model and uncertainty model, the test verification of structural fatigue and fracture numerical prediction method and the related engineering application. The aim of this project is to solve the following key scientific issues, e.g. the reasonable correction problem of the deterministic numerical prediction model, the accurate prediction problem of the fatigue life response law under multi-source uncertain factors and the associated characterization and comprehensive evaluation of the deterministic model and uncertain model. This project will make contributions to providing a new theoretical basis for aircraft structure reliability analysis and the technical support for improving the performance of new types of aircrafts.

随着航空航天科学技术水平的提升，飞行器结构日益向大型化、复杂化的方向发展。然而，由于面临复杂多变的服役环境，结构疲劳与断裂问题的重要性引起了广泛关注。与此相关的不确定性问题和非线性问题，特别是二者的耦合问题也愈发突出。近来，包括F35B战机在内的航空航天发达国家新型飞行器接连发生的结构安全事故，就是上述问题还未得到较好解决的集中表现。鉴于此，本项目将重点开展结构疲劳与断裂数值预测模型的准确构建及高效求解策略、不确定框架下结构疲劳寿命响应规律的高精度预估方法、确定性模型和不确定性模型的综合比较与评价方法、结构疲劳与断裂数值预测方法的试验验证及工程应用等方面的研究，以期在确定性数值预测模型的合理修正、多源不确定因素影响下疲劳寿命响应规律的准确预示、确定性模型与不确定性模型的关联表征及综合评价等关键科学问题上实现突破，为结构可靠性分析和设计提供新的理论基础，也为提高新型飞行器性能提供技术支撑。

结构的疲劳与断裂问题是影响飞行器结构安全的重要因素，也是目前世界强国都在研究的热点问题。本项目根据航空航天的国家重大需求，以先进复杂飞行器结构为研究对象，开展了结构疲劳与断裂数值预测模型的准确构建及高效求解策略研究、不确定框架下结构疲劳寿命响应规律的高精度预估方法研究、确定性模型和不确定性模型的综合比较与评价方法研究、结构疲劳与断裂数值预测方法的试验验证及工程应用研究等。. 在结构疲劳与断裂数值预测模型的准确构建及高效求解策略方面，形成了基于响应面模型的半椭球形表面裂纹扩展分析方法、基于摄动级数法的结构疲劳寿命预测方法和裂纹扩展数值预测方法等理论和方法；在不确定框架下结构疲劳寿命响应规律的高精度预估方法方面，形成了基于混沌多项式展开的含随机参数结构疲劳裂纹扩展分析方法、结构裂纹扩展的随机摄动级数展开法和区间摄动级数展开法、基于摄动级数展开和区间分析的疲劳裂纹扩展模型的时变可靠性评估、基于混沌多项式展开的含混合不确定性结构疲劳寿命分析方法等理论和方法；在确定性模型和不确定性模型的综合比较与评价方法方面，开展了应力强度因子的概率与非概率模型对比研究、含随机参数结构疲劳裂纹扩展的混沌多项式展开方法与蒙特卡洛方法对比研究、结构裂纹扩展的区间摄动级数展开法与蒙特卡洛方法对比研究、不同可靠性理论下疲劳寿命可靠性评估结果比较与适用性研究等；在结构疲劳与断裂数值预测方法的试验验证及工程应用方面，将所提理论和方法应用于实际工程结构，完成了结构疲劳裂纹扩展历程的试验验证，开发了复杂工程结构疲劳裂纹扩展寿命评估软件，开展了基于断裂力学和响应面方法的轮轴结构疲劳寿命计算及优化。. 经过本项目研究，针对复杂飞行器结构疲劳与断裂问题，已经形成了一套相对完整的确定性和不确定性模型及高效率、高精度数值计算理论与方法体系，能够丰富和发展现有飞行器结构可靠性分析和设计理论，为提升新型飞行器性能提供技术支撑。