复合材料结构可靠性分析与优化设计的多尺度方法研究

The significant application of light composite structures in aerospace products has become a key development trend for current aerospace industry. However, composite possesses a high variability in the performance, hence its efficient application needs comprehensive and accurate structural reliability analysis and reliability based design optimization. Current research on the reliability of composite structures only considers random variables at one length-scale (macro-scale), with limitations such as that the reliability analysis is not comprehensive, the essential causes of the performance variability are not clear and the structural optimization is insufficient. Thereby, the present project attempts to conduct the reliability analysis and reliability based design optimization of composite structures using multi-scale approaches: firstly, the uncertainty propagation from micro-scale to macro-scale is investigated; secondly, structural reliability evaluation is conducted based on both micro-scale and macro-scale random variables, and the calculation of sensitivity index of micro-scale and macro-scale random variables is proposed; thirdly, approaches of reliability based design optimization are proposed with the design variables including both micro-scale and macro-scale parameters. In comparison to current research, the present study will introduce more accurate structural reliability evaluation, more comprehensive understanding of the sources affecting the structural reliability, and more sufficient structural optimization. This project will contribute to the fundamental theory and methodology for the efficient application of composite structures in aerospace products.

现代航空航天装备的一个重要发展趋势是大量应用轻质高强的复合材料结构。然而，复合材料的性能具有较大的分散性，因此准确的结构可靠度分析以及基于可靠度的结构优化设计是复合材料结构得以高效应用的关键。目前的复合材料结构可靠性研究仅考虑单一尺度（宏观尺度）随机性，存在结构可靠性分析不全面、结构性能分散根源不明晰、结构优化设计不充分等问题，因此本项目提出复合材料结构可靠性分析和优化设计的多尺度方法：以研究宏观、细观参数随机性的传递关系为出发点，合理结合宏观、细观随机参数进行结构可靠度评估，并求得结构可靠度对宏观、细观参数的灵敏度，进而研究协同优化宏观、细观参数的结构可靠性优化设计方法。与现有的研究相比，将更准确的评估结构可靠度，更全面认知影响结构可靠性水平的主要因素，进一步提高结构优化程度，为航空航天装备中复合材料结构的高效应用提供理论和方法支撑。

复合材料结构已经成为现代航天航空装备的重要结构形式之一。然而复合材料的性能分散性较大，因此准确的结构可靠性分析及基于可靠性的结构优化设计是复合材料得以有效应用的关键。基于复合材料细观力学与蒙特卡洛仿真，研究了细观随机性和宏观随机性的传递关系，发现复合材料宏观力学性能之间存在统计相关性，此相关性严重依赖于纤维体积分数的不确定性。提出了新的模拟纤维随机分布的数学算法，采用非线性三维有限元分析了纤维随机分布对单向复合材料强度的影响，得到了复合材料压缩强度的统计分布特征。通过对比考虑与忽略复合材料宏观力学性能相关性情形下的复合材料结构可靠性，发现弹性参数之间的相关性对复合材料结构可靠性影响较大。分析了不同情形下铺层厚度不确定性对结构可靠性的影响，发现纤维与基体引起的厚度不确定性会带来非常不同的结构可靠性。提出了基于遗传算法的协同宏观细观参数的复合材料结构可靠性优化设计方法，发现在复合材料结构承受弯矩的情况下，协同宏观细观参数结构可靠性优化更加充分，以某型飞机起落架复合材料构件为例，协同宏观细观参数的复合材料结构可靠性优化可比当前设计减重约15%。本项目从多尺度的角度更加深刻的揭示了复合材料力学性能分散性大的根本原因以及复合材料结构可靠性评估应该注意的多尺度随机性问题，同时为更充分的结构优化设计提供了方法和手段，为航天航空装备中复合材料结构的高效应用提供理论方法支撑。