复合材料热结构模型的不确定性分析和实验修正方法

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1、复合材料热结构模型的不确定性分析和实验修正方法复合材料热结构设计中存在多源不确定性因素, 如材料性能、结构界面性能和失效判据等。为提高设计结构的可靠性和稳健性, 本文提出了基于不确定性分析的复合材料热结构设计流程。针对设计流程中不确定性分析精度和效率之间的矛盾难题, 开展高效的全局敏感性分析方法、代理模型方法和模型降维方法研究, 形成了一套系统的模型不确定性分析方法 , 有效地平衡了不确定性分析中精度和效率之间的矛盾; 针对设计流程中的关键不确定性参数和多向应力失效判据的实验修正难题开展研究, 形成了一套系统的实验修正方法, 降低了模型参数及其响应的不确定性。基于提出的复合材料热结构设计流程,

2、 最终实现了高可靠发动机喷注支板热结构设计, 并完成了极端环境下的多次重复试验考核。(1) 针对热结构模型不确定性分析难题 , 建立了直接抽样 - 有序置换 - 傅里叶幅值敏感性分析方法 (DRS-OA-FAST)、基于单频组合映射函数的傅里叶幅值敏感性分析方法 (SF-CMF-FAST)和自适应高斯过程模型 (AGPM)方法。 DRS-OA-FAST方法相比于 FAST分析方法 , 计算时间降低约 95%以上 ; 而 SF-CMF-FAST方法提高了总敏感性指标的计算精度 , 计算误差从 22%减小至 2%。AGPM使用组合核函数以提高了代理模型的泛化能力, 同时通过自动筛选对模型精度影响大

3、的训练样本, 减小了冗余样本 , 在喷管热结构模型不确定性分析中 , 与有限元分析相比 ,AGPM方法计算效率提高了 98%以上。 (2) 基于活跃子空间法开展热结构模型降维研究 , 进一步提高不确定性分析效率。首先 , 提出了计算活跃子空间特征向量的缩减区间法 , 在本文算例中 , 相比于传统方法 , 其计算效率提升95%以上。将该方法应用于发动机喷管模型中, 其计算成本在代理模型基础上进一步降低, 幅度大于 75%以上。同时 , 建立了活跃子空间和完全空间之间的数据映射方法, 实现了活跃子空间下 AGPM构建。最后 , 针对活跃子空间下的不确定性修正问题进行分析, 并获得如下结论 : 基于

4、活跃子空间法可实现组合参数的不确定性修正, 避免了反向修正问题的“病态性” ; 增加似然函数中实验信息可提高不确定性参数的修正精度。(3) 针对热结构分析中关键不确定性参数和失效判据修正难题 , 建立了相应的实验修正方法。 首先 , 基于等温冷却过程 , 建立了热膨胀系数、 总发射率和界面热导的实验修正方法 , 通过单次加热冷却实验实现了不确定性参数的高温非线性修正 , 误差分别小于 6%、9%和 12.7%。其次 , 提出了基于四点弯曲的双模量实验修正方法 , 通过单次四点弯曲实验实现了拉伸模量和压缩模量的同时修正。最后 , 提出了基于双弯实验的两向应力状态下材料失效判据的实验修正方法 , 并完成了 UHTC材料热压方向失效判据修正。(4) 考虑喷注支板热结构材料层级 ( 材料属性 ) 和结构层级 ( 界面热阻 ) 的不确定性 , 开展基于不确定性的喷注支板热结构设计。通过建立的不确定性分析方法获得了结构关注响应的不确定性分布和影响响应的关键不确定性参数 ; 通过建立的实验修正方法一一修正了识别的关键参数 , 降低了模型参数及其响应的不确定性 ; 基于提出的热结构设计流程和建立的方法 , 最终实现了高可靠 (>99%) 的FGLCS喷注支板结构设计 , 并完成了多次重复实验验证。