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微尺度下材料力学性能及损伤模型参数的反演辨识

李翔宇  
【摘要】:多功能薄膜/涂层材料被广泛应用于航空航天、机械、电子电气以及建筑等领域。作为复合材料的重要分支,它们不但具有高强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点,而且能够满足特定的功能使用要求。该类材料的宏观尺寸通常在微纳米级别,虽然远小于基体厚度,但是对涂层-基底结构的使用性能和寿命起到了支配作用。因此,工程应用中对微尺度下涂层材料的力学性能评估显得尤为重要。另外,在材料的损伤演化问题上,内聚力模型被广泛地应用于界面层的分层、脱胶破坏以及非界面的疲劳断裂模拟分析中。内聚力模型参数的提取关乎着损伤破坏机理的表征,也值得对其进行深入探讨。 对于上述两类微尺度以及高度非线性问题,传统的力学性能测试方法存在着较大的技术局限性。本文基于反演分析的思路,将实验获得的有限信息与数值模拟以及相关优化算法相结合解决此类问题。为了提高反演过程的效率和反演结果的可靠性,本文从多个角度提出了相关的改进算法和反演方案,通过计算分析获得了较为满意的反演结果。本文的主要研究工作包含以下几个方面。 (1)对于微尺度涂层材料的力学性能参数确定问题,提出了一种改进的基于扩展卡尔曼滤波算法(EKF)的反演分析方法。该法以压痕实验中获得的荷载-压痕深度响应曲线为依据,结合有限元模拟结果,利用拉格朗日插值函数构建载荷-压痕深度响应面,以便插值获取反演分析所需的荷载-位移响应值及其梯度信息,最终通过反演分析获得合理的涂层材料本构参数。与此同时,本文提出了另一种利用遗传算法结合响应面插值的反演方法,重复上述参数识别过程,以此对比两种方法的技术适用性。反演结果表明上述两种算法尽管有各自的优缺点,但是在涂层材料力学参数反演上都是实之有效的;另外,结合不同尺寸以及几何形状压头的荷载-压痕深度曲线能够有效地提高问题解的收敛性、精确性和适定性。 (2)对于利用内聚力模型来表征界面损伤演化问题,本文依据双悬臂梁模型(DCB)的支反力-位移曲线,提出“两步法”来反演识别已知裂纹路径的内聚力模型参数;同时基于扩展有限元(XFEM)理论,提出将实验获得的载荷-位移曲线结合裂纹扩展路径信息,来实现内聚力模型参数的提取。 (3)本文提出了以敏感度分析为基础的多参数问题识别步骤。而对于多目标问题,本文提出了基于分散度的目标权值分配方案。通过与实验结果的对比,证明了上述处理方式的有效性。 (4)鉴于反演过程繁琐、信息量大的缺陷,本文开发了一套基于vb语言交互界面的参数自动化反演分析系统。该系统整合了多种反演分析方法,可以广泛地应用于材料力学性能参数的反求、模拟数据的处理、图形的输出等功能,实现反演辨识过程直观、简洁、高效的目的,具有重要的工程应用价值。


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