微尺度下材料力學(xué)性能及損傷模型參數(shù)的反演辨識.pdf

1、多功能薄膜/涂層材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、電子電氣以及建筑等領(lǐng)域。作為復(fù)合材料的重要分支，它們不但具有高強度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點，而且能夠滿足特定的功能使用要求。該類材料的宏觀尺寸通常在微納米級別，雖然遠(yuǎn)小于基體厚度，但是對涂層-基底結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命起到了支配作用。因此，工程應(yīng)用中對微尺度下涂層材料的力學(xué)性能評估顯得尤為重要。另外，在材料的損傷演化問題上，內(nèi)聚力模型被廣泛地應(yīng)用于界面層的分層、脫膠破壞以及非界

2、面的疲勞斷裂模擬分析中。內(nèi)聚力模型參數(shù)的提取關(guān)乎著損傷破壞機理的表征，也值得對其進(jìn)行深入探討。
　　 對于上述兩類微尺度以及高度非線性問題，傳統(tǒng)的力學(xué)性能測試方法存在著較大的技術(shù)局限性。本文基于反演分析的思路，將實驗獲得的有限信息與數(shù)值模擬以及相關(guān)優(yōu)化算法相結(jié)合解決此類問題。為了提高反演過程的效率和反演結(jié)果的可靠性，本文從多個角度提出了相關(guān)的改進(jìn)算法和反演方案，通過計算分析獲得了較為滿意的反演結(jié)果。本文的主要研究工作包含以下幾個

3、方面。
　　 (1)對于微尺度涂層材料的力學(xué)性能參數(shù)確定問題，提出了一種改進(jìn)的基于擴展卡爾曼濾波算法(EKF)的反演分析方法。該法以壓痕實驗中獲得的荷載-壓痕深度響應(yīng)曲線為依據(jù)，結(jié)合有限元模擬結(jié)果，利用拉格朗日插值函數(shù)構(gòu)建載荷-壓痕深度響應(yīng)面，以便插值獲取反演分析所需的荷載-位移響應(yīng)值及其梯度信息，最終通過反演分析獲得合理的涂層材料本構(gòu)參數(shù)。與此同時，本文提出了另一種利用遺傳算法結(jié)合響應(yīng)面插值的反演方法，重復(fù)上述參數(shù)識別過程，以

4、此對比兩種方法的技術(shù)適用性。反演結(jié)果表明上述兩種算法盡管有各自的優(yōu)缺點，但是在涂層材料力學(xué)參數(shù)反演上都是實之有效的;另外，結(jié)合不同尺寸以及幾何形狀壓頭的荷載-壓痕深度曲線能夠有效地提高問題解的收斂性、精確性和適定性。
　　 (2)對于利用內(nèi)聚力模型來表征界面損傷演化問題，本文依據(jù)雙懸臂梁模型(DCB)的支反力-位移曲線，提出“兩步法”來反演識別已知裂紋路徑的內(nèi)聚力模型參數(shù);同時基于擴展有限元(XFEM)理論，提出將實驗獲得的載荷

5、-位移曲線結(jié)合裂紋擴展路徑信息，來實現(xiàn)內(nèi)聚力模型參數(shù)的提取。
　　 (3)本文提出了以敏感度分析為基礎(chǔ)的多參數(shù)問題識別步驟。而對于多目標(biāo)問題，本文提出了基于分散度的目標(biāo)權(quán)值分配方案。通過與實驗結(jié)果的對比，證明了上述處理方式的有效性。
　　 (4)鑒于反演過程繁瑣、信息量大的缺陷，本文開發(fā)了一套基于vb語言交互界面的參數(shù)自動化反演分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了多種反演分析方法，可以廣泛地應(yīng)用于材料力學(xué)性能參數(shù)的反求、模擬數(shù)據(jù)的處理