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关键词： 高熵合金   力学行为   变形机制   石墨烯   复合材料   分子动力学   位错  

摘要： 具有面心立方结构的FeNiCrCoCu高熵合金呈现出高硬度、卓越的耐磨性能和耐腐蚀性能以及良好的热稳定性等优异的性能,有望成为下一代结构应用的候选材料。因此,对这种组分的高熵合金展开研究以期进一步改善其性能具有重要意义。一种有效的策略是将石墨烯与高熵合金组合形成高熵合金/石墨烯纳米层状复合材料。然而,无论是经济层面还是技术层面,现有实验技术难以实现原子分辨率实时探测和捕捉微结构演变。幸运的是,原子模拟算法和计算能力的飞速发展为在原子水平研究金属/合金体系的变形行为提供了另一种选择。尤其是,分子动力学模拟作为一种三维可视化方法,可以实时探测和捕捉纳米尺度塑性的动态演变,揭示变形行为及相关机制。同时,反过来还可以指导和预测新型材料的设计。为此,本文借助分子动力学模拟方法,以FeNiCrCoCu高熵合金/石墨烯复合材料为主要研究对象,对纳米压痕、纳米划痕、单轴压缩以及冲击压缩加载下的力学行为开展研究工作。本文的主要研究内容如下: (1)采用分子动力学模拟方法对FeNiCrCoCu高熵合金/石墨烯复合材料的纳米压痕过程展开了研究,分析了复合材料的纳米压痕响应,探讨了石墨烯层数对硬度和杨氏模量的影响,揭示了复合材料的硬化机制。研究发现,在高熵合金表面覆盖石墨烯层后,复合材料的压痕硬度得到有效提高;由于石墨烯层具有较高的面内刚度,它的存在不仅可以有效降低接触应力,抑制位错形核,从而有助于降低亚表面损伤。同时,通过增加实际受载面积使体系形成更多的Shockley位错和Stair-rod位错,从而贡献于复合材料的强应变硬化效应;复合材料的实质硬化效应是石墨烯的高面内刚度及其诱导的强应变硬化效应共同作用的结果。 (2)采用分子动力学模拟方法对FeNiCrCoCu高熵合金/石墨烯复合材料的纳米划痕过程展开了研究,分析了引入石墨烯后复合材料的纳米划痕响应,探讨了石墨烯层数对摩擦力、摩擦系数和磨损原子数目的影响,揭示了复合材料的减摩耐磨机制,进行了相关的纳米划痕实验验证了模拟结果。结果表明,石墨烯的存在显著降低了高熵合金基体表面的摩擦。通过对比尖端原子力分布,发现显著的减摩效应是由局部钉扎位点对摩擦的贡献减弱而局部推动位点对摩擦力的贡献增强引起的;在高熵合金基体表面覆盖石墨烯层还可以抑制磨损损伤,这是引入石墨烯层后高熵合金亚表面的变形程度得到削弱和表面堆积行为得到抑制的结果;由于层间排斥效应,摩擦和磨损损伤随着石墨烯层数的增加可以进一步改善;此外,制备了高熵合金/石墨烯层状复合材料,发现与纯高熵合金体系相比,复合材料的划痕深度降低、表面堆积行为得到抑制,与模拟结果保持一致。 (3)采用分子动力学模拟方法对FeNiCrCoCu高熵合金/石墨烯复合材料的单轴压缩过程展开了研究,分析了引入石墨烯层后复合材料内位错与石墨烯间的相互作用,揭示了复合材料中与石墨烯尺寸相关的强化机制。研究发现,石墨烯对可动位错滑移施加的阻力,增加了位错间发生反应的可能性,促进了不可动Stairrod位错的形成,从而产生了实质强化效应;不可动的1/3<100>Hirth位错、1/3<110>位错和1/6<301>位错对复合材料的强化效应起着辅助的作用;由频繁位错反应引起的位错长度降低以及石墨烯对可动位错的吸收效应使得复合材料更容易发生位错饥饿,这促进了大量Shockley位错和Stair-rod位错的形成;由于石墨烯层的边缘充当位错源,引入直径略小于纳米柱的石墨烯层将会导致复合材料的弱化效应。 (4)采用分子动力学模拟方法对FeNiCrCoCu高熵合金/石墨烯复合材料的冲击压缩过程展开了研究,分析了引入石墨烯层后复合材料的冲击波特性,揭示了复合材料的动态变形机制,探讨了冲击速度对变形机制的影响。研究发现,石墨烯对可动位错滑移施加的阻力提高了局部应力水平,促进了孪晶和HCP相的形成。正是这些额外形成的孪晶和HCP相促进了冲击波中的能量损耗,有助于复合材料抗冲击性能的提升;石墨烯的存在赋予了高熵合金额外的孪生路径,即通过诱发HCP相内层原子由HCP到FCC的结构转变;由于流动应力的增加,TRIP效应可以作为复合材料在较高应变下的主要应变协调模式,这有助于提升复合材料的应变硬化能力;此外,引入石墨烯层后,复合材料的动态变形机制由低应变下的位错滑移向较高应变下的HCP马氏体转变,随后是高应变下的BCC相变,这与不含石墨烯的纯高熵合金体系(由低应变下的位错滑移向高应变下的BCC相变转变)截然不同。

关键词： 创新型人才培养模式   土木工程   混合式教学   案例教学法  

摘要： “材料力学”课程是土木工程专业的一门重要的力学基础课程。在传统的“材料力学”课程教学模式下，学生通常只是被动学习知识，缺乏批判性分析问题和独立思考、解决问题的能力。因此，“材料力学”课程教学改革迫在眉睫。本文分析了当前“材料力学”课程教学中存在的问题及相关教学改革探索，介绍了创新型人才培养模式下“材料力学”课程教学内容，探讨了“材料力学”课程教学实践，以期为高等院校土木工程专业人才培养提供新的思路。

关键词： 甲壳素   综合利用   力学增强   稀土复合材料   骨植入材料  

摘要： 近年来,随着不可再生资源的枯竭,越来越多的科研人员关注可再生生物质资源的开发和利用。甲壳素作为天然聚多糖材料,含量仅次于纤维素,具有生物降解性、抗菌性和生物相容性等优点。尽管甲壳素制备的骨植入材料表现出良好的生物性能,但存在力学性能不足,难以支撑缺损部位和降解过快难以以与新骨生长速度相匹配的问题。本文采用低温冻融法,优化制备条件,进一步制备力学性能提升和可控降解的甲壳素及复合骨植入材料,为可降解骨植入材料的研发提供基础。 首先,探讨了冻融时间、浸泡方式、复合材料种类和浓度等对甲壳素材料力学性能的影响。研究表明,冻融时间、浸泡方式对甲壳素力学有明显的影响。当冻融时间5天,用无水乙醇和去离子水依次交替浸泡5天,甲壳素基体的压缩强度提升至9.0 MPa,在此基础上,不同材料或同种材料不同浓度的复合对甲壳素力学性能也有显著的影响,如甲壳素/明胶(12.9 MPa)、甲壳素/微晶纤维素(14.7 MPa)、甲壳素/羟基磷灰石(18.3MPa)、甲壳素/磷酸钆(20.1 MPa)、甲壳素/微晶纤维素/羟基磷灰石(39.4 MPa)和甲壳素/微晶纤维素/磷酸钆(42.3 MPa)。再生后的甲壳素及复合材料的体积收缩和重量减轻与力学性能呈一定的相关性;溶胀率在80.72%-145.72%之间,力学较好的材料具有较好的抗溶胀性;此外,物理交联的甲壳素及复合材料具有良好的热稳定性、丰富的含水率(45%-68%)和三维多孔的网络结构。 其次,研究了化学交联(交联剂种类及浓度)对甲壳素及复合材料力学性能的影响。研究表明,交联剂为京尼平(6%)时对甲壳素力学性能增强作用明显,压缩强度为21.4 Mpa。进一步研究发现,化学交联的甲壳素/微晶纤维素/羟基磷灰石、甲壳素/微晶纤维素/磷酸钆的力学性能较好,压缩强度分别为28.5 MPa和27.2 MPa。甲壳素及复合材料都具有良好的热稳定性和含水率(45%-68%)。 最后,对比研究了物理、化学交联的甲壳素及复合材料在溶菌酶-PBS模拟体液中降解0天、10天、20天和30天的降解性能。研究表明,化学交联的降解速率(甲壳素和甲壳素/微晶纤维素/磷酸钆降解率分别为15%和6.6%)高于物理交联的降解速率(分别为12%和4.8%)。但是有意义的是,通过简易材料复合制备的甲壳素/微晶纤维素/磷酸钆三元复合材料,无论是物理交联还是化学交联,降解性能都得到显著控制(30天降解率分别为4.8%和6.6%),30天后仍保持结构完整,这在扫描电镜数据中得到验证。说明适宜的材料复合有利于提高材料的可控降解性。

关键词： 渗透结晶剂   废弃陶瓷   钢纤维   力学性能   自修复性能  

摘要： 水泥基复合材料易开裂,而裂缝尤其是可见裂缝的出现会显著降低建筑结构的承载能力和使用寿命。因此,急需研究初始裂缝少和具有开裂自修复性能的水泥基复合材料,以应对此问题。基于此,本文采用钢纤维、废弃陶瓷骨料和废弃陶瓷粉降低水泥基材料初始裂纹产生和限制混凝土裂缝发生,采用渗透结晶剂修复已生裂缝,设计具有低碳性能的自修复水泥基复合材料。而钢纤维、废弃陶瓷粉与骨料的最优掺量已经通过本课题组前期试验确定,本文就渗透结晶剂对废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的力学和自修复性能展开研究,其主要研究内容和结果如下: (1)研究了渗透结晶剂掺量对废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料扩展度、凝结时间、收缩性能和静态力学性能的影响,并通过电学性能、XRD、FTIR、TG/DTG和SEM和MIP对渗透结晶剂的增强机理进行研究。研究结果表明,渗透结晶剂的掺入会降低废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的扩展度;并缩短其初凝时间和终凝时间。随着渗透结晶剂掺量的增加,废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的静态力学性能呈现先增后减的趋势,其中掺入4%渗透结晶剂的废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性、压缩韧性、劈裂抗拉韧性、折压比和拉压比提升最显著。4%渗透结晶剂可提升水泥基复合材料的直流电阻率和交流电阻率,表明其提升了基体的密实性。微观分析可知,渗透结晶剂可降低氢氧化钙的择优取向、细化氢氧化钙的微晶粒径、减小界面过渡区宽度、降低氢氧化钙含量、增加碳酸钙含量和优化孔隙率,从而提高废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的密实度。 (2)研究了渗透结晶剂废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料自修复性能的影响,主要研究了不同的养护龄期、养护环境和渗透结晶剂掺量对废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的抗折强度恢复率、抗压强度恢复率、劈裂抗拉强度恢复率、裂缝面积修复率、电学性能恢复率和吸水率变化率的影响,并通过XRD、FTIR、TG/DTG和SEM分析研究了其自修复机理。研究结果表明,随着养护龄期的增长,自修复效果随之提升;浸泡环境相较于干湿循环环境更有利于渗透结晶剂对废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料自修复性能的提升;其抗折强度恢复率、抗压强度恢复率和劈裂抗拉强度恢复率、裂缝面积修复率、电阻率恢复率和吸水率变化率均大致呈现随渗透结晶剂掺量的增加而呈现先增后减的趋势,综合来看4%渗透结晶剂对废弃陶瓷钢纤维水泥基复合材料的抗折强度恢复率、抗压强度恢复率和劈裂抗拉强度恢复率提升效果最佳。通过XRD、FTIR、TG/DTG和SEM微观试验可知,在浸泡环境和干湿循环环境下,其自修复产物均主要为碳酸钙,渗透结晶剂的掺入可提升其占比。

关键词： 水泥基复合材料   力学性能   碳纳米材料   密度泛函理论   分子动力学  

摘要： 如何在漫长的服役中保证建筑物的力学性能,一直以来都是重要的研究课题。目前的建筑行业正发生巨大的革新,对建筑材料提出的要求更加严苛。水泥作为目前使用最广泛的工程材料,存在脆性大、强度低、易开裂、孔洞较多和功能单一等缺点。通过改性现有的水泥基材料并赋予其功能性,对于延长土木工程基础设施寿命,控制结构损伤和预防突发事故等方面意义重大。为了获得水泥基材料的优异性能,本研究围绕碳纳米材料增强水泥基复合材料的力学和电学性能,将模拟与实验方法相结合,进行碳纳米材料改性水泥基复合材料的研究。基于第一性原理、分子动力学和有限元等方法探讨碳纳米材料及其衍生物在复合材料中起到的作用,讨论增强体与水泥基之间的相互作用,分析碳纳米材料对水泥基的增强增韧机理,理解复合材料在界面处的应力传递机制。并通过实验方法制备了碳纳米材料增强水泥基复合材料,对其力学性能和电学性能进行研究,在验证模拟结果的基础上,分析碳纳米材料对水泥基复合材料导电性和机敏性的影响。本文的主要研究内容如下: (1)基于第一性原理,构建了碳纳米材料吸附硅酸盐水合物模型和碳纳米材料与水化硅酸钙的界面模型。研究碳纳米材料对于硅酸盐水合物的吸附特性,碳纳米材料与水泥基材料的界面结合强度,分析碳纳米材料在水泥基复合材料中的增韧机理以及官能团在复合材料界面处起到的作用。模拟结果表明,官能团的存在能够提升碳纳米材料对硅酸盐水合物单体的吸附能力,促进碳纳米材料与水泥基之间稳固化学键的生成。并且能加剧碳纳米材料与水泥基之间的电荷交换,增加两者间的相互作用,使界面粘附能和界面剪切强度增大,有效增强碳纳米材料与水泥基之间的界面结合强度。 (2)构建了石墨烯、碳纳米管及官能化石墨烯和碳纳米管增强水化硅酸钙复合材料的模型,并对其进行分子动力学研究。在不同温度下对复合材料模型进行拉伸和压缩模拟,计算碳纳米材料改性水化硅酸钙复合材料的抗拉抗压强度及弹性模量,分析复合材料在载荷作用下的结构演变。研究结果表明,在外载荷作用下增强体能使复合材料表现出比纯水化硅酸钙更高的强度和弹性模量,表面覆盖官能团的碳纳米材料对水泥基材料有着更突出的增强效果。碳纳米材料及其衍生物展现出对裂缝的桥接作用和替代基体承担应力的作用。 (3)采用有限元法对碳纳米材料增强水泥基复合材料进行数值模拟。使用ANSYS软件,向水泥基体中随机投放碳纳米材料增强体,构建碳纳米材料增强水泥基复合材料多胞模型。在模型结构离散化后对复合材料进行力学性能和电学性能的模拟计算。研究碳纳米材料增强体与水泥基材料内部应力分布情况和复合材料的导电性能。结果表明,复合材料的最高应力随碳纳米材料掺量的增加而降低,其应力随碳纳米材料掺量的增加而均匀分布。水泥基复合材料内部的电流密度随导电填料的增多而增大,有效电阻率随导电填料的增多而降低。 (4)通过在水泥砂浆中掺加石墨烯、碳纳米管及纳米碳纤维等纯碳纳米材料,以及氧化石墨烯、羟基碳纳米管和羧基碳纳米管等碳纳米材料衍生物,对水泥基进行改性。首先对碳纳米材料及其衍生物单掺水泥砂浆复合材料进行制备。然后对不同掺量碳纳米材料填充的水泥砂浆进行基本力学性能测试、电学性能测试及机敏性测试。最后挑选表现良好的增强体进行复掺。结果表明,碳纳米材料及其衍生物均对水泥砂浆力学性能有积极作用,具有官能团的碳纳米材料对水泥砂浆力学性能的提升能力高于同掺量的纯碳纳米材料。导电纳米材料的添加能降低水泥砂浆试块电阻,且其电阻测量值与掺量成反比。相比于纯碳纳米材料,碳纳米材料衍生物作为导电填料增强水泥砂浆能使其电阻更稳定地降低。石墨烯和氧化石墨烯作为导电填料时,水泥砂浆展现出优异的机敏性。

关键词： 车身耐撞性   泡沫材料   力学特性   填充管   多目标优化  

摘要： 随着汽车保有量的不断提升,导致交通事故日益频发,交通环境日益复杂,为保护人民的生命财产安全,对于汽车的被动安全性提出了更高的要求。因此,寻找到一种高效优异的吸能材料,改善汽车的耐撞性,减小因交通过程中不可避免的汽车碰撞所带来的损失成为研究热点。泡沫材料具有比强度高、比刚度高、优异的能量吸收性能和缓冲性能的特性,使其在吸能结构设计领域具备良好的潜力,目前已广泛应用于汽车、航空、航天等领域。由于发泡法工艺具备高度随机性,通过发泡法制备的传统泡沫材料力学性能不稳定,难以根据预期的性能和结构设计泡沫,高度复杂的孔隙结构也为细观参数的研究带来了极大的困难。因此,本文构建了接近真实泡沫结构的3DVoronoi模型,采用3D打印技术制备泡沫试件,开展了泡沫材料动静态力学特性的试验、仿真与理论研究,进一步开展基于泡沫填充汽车螺纹吸能盒耐撞性分析与多目标优化设计。本文依托国家重点研发计划项目(2021YFB2501705)对泡沫材料的力学特性及在汽车填充吸能盒中的应用展开相关研究,主要研究内容如下: (1)泡沫材料静态力学特性研究。基于三维Voronoi技术和3D打印技术设计并制备了均匀及梯度泡沫试件,并构建了各类泡沫材料有限元细观模型,基于压缩试验机开展了准静态压缩试验验证了数值模型的准确性,进而开展了泡沫的静态力学特性数值研究,获取了其变形模式及名义应力应变曲线,探讨了细观结构参数对其力学特性的影响,研究结果表明,相对密度对泡沫材料的力学性能起决定性作用,而不规则度及胞元尺寸对其力学性能并未产生显著影响。梯度泡沫的变形带从低密度区向高密度区延展,且梯度率大的泡沫在压缩前期屈服应力最小,而压缩后期具有较高的应力水平,因此相较于均匀泡沫具备更大的平台应力。 (2)泡沫材料动态力学特性研究。基于落锤试验机开展了泡沫材料动态冲击试验,对数值模型进行了验证,进一步地,基于数值模型分析了不同梯度类型泡沫在动态冲击下变形机理、应力响应,探究了梯度对其动态力学响应的影响,结果表明,均匀及梯度泡沫在动态冲击下均呈现出三种变形模式(准静态变形模式、过渡模式和冲击模式),随着速度的增加,惯性作用的影响超过了准静态屈服应力的影响,主导了泡沫的变形,且梯度泡沫在中高速冲击下的名义应力应变曲线与其胞元分布有关。此外,针对不同梯度方向,考虑了两种冲击波传播模式,基于R-PP-L(刚性-理想塑性-锁定应变)模型构建了轴向梯度泡沫在恒速冲击时的应力波传播理论模型,与数值结果吻合良好,可以准确预报梯度泡沫材料在动态冲击下的力学响应。 (3)泡沫填充螺纹吸能盒耐撞性研究。受自然界中螺纹结构启发,提出并设计了螺纹管,并基于3D打印技术分别制备了螺纹管与泡沫芯材,开展了泡沫填充螺纹管准静态压缩试验,分析了变形模式和耐撞性指标的影响因素,研究结果表明,随着螺纹管波长的减小和幅值的增加,其变形模式趋于规则化,导致比吸能(Specific energy absorption,SEA)和初始峰值载荷(Initial peak crushing force,IPCF)的减少,以及冲击效率(Crush force efficiency,CFE)的提高。此外,与空管相比,泡沫填充螺纹管的SEA显著增强,且承载波动系数(Undulation of load-carrying capacity,ULC)降低。基于微CT断层扫描技术,研究了泡沫和螺纹管之间的相互作用,CT扫描图片表明泡沫与螺纹管之间存在明显的相互作用。开展了泡沫填充螺纹管耐撞性参数研究,评估了螺纹管宏观结构和泡沫细观结构对泡沫填充螺纹管耐撞性和变形模式及两者之间相互作用的影响,结果表明,泡沫填充螺纹管的SEA和CFE随着泡沫胞元壁厚和管壁厚度的增加而增加,泡沫胞元尺寸对相互作用的影响很小,而螺纹管波长的减小导致相互作用的增加。 (4)泡沫填充螺纹管平均压溃力理论研究及多目标优化设计。基于能量守恒原理和塑性铰理论,考虑螺纹管承载能力、泡沫塑性硬化、螺纹管与泡沫相互作用等因素,提出了预测泡沫填充螺纹管平均压溃力的理论模型。基于遗传算法NSGA-II(Nondominated Sorting Genetic Algorithm-II),选择响应面代理模型对泡沫填充螺纹管进行多目标优化设计,优化后的泡沫填充螺纹管与同结构参数的螺纹管相比,其SEA增加18.13%,IPCF增加0.97%,ULC降低91.14%。 本文采用理论、数值和试验相结合的手段,对3D打印泡沫材料的动静态力学特性开展了研究工作,并构建了动态冲击下梯度泡沫材料应力波传播理论模型。受自然螺旋结构启发,本文提出并设计了泡沫填充螺纹吸能盒,分析其耐撞性与相互作用的影响因素,推导出泡沫填充螺纹管平均压溃力预测的理论模型,并进行了多目标优化设计。本文的研究工作可以指导泡沫材

关键词： 三维机织复合材料   不确定性传播与量化   数值模拟   神经网络代理模型   力学性能离散性  

摘要： 三维机织复合材料由于其优越的性能,广泛应用于航空航天、建筑和轨道交通等行业的轻质装备制造。但这类材料复杂的工艺过程导致其微细观几何特征形貌多变,且内部存在大量缺陷,例如孔隙、裂纹等。其受到静态或疲劳载荷时材料性能表现出明显的损伤退化特性,且损伤过程表现出显著的随机性,导致其力学性能也具有显著离散性。同时这类材料具有典型的层级结构,在其建模过程中常使用多尺度模拟,为了量化材料中固有的不确定性,这种模拟必须与统计不确定性量化(Uncertainty Quantification,UQ)和传播(Uncertainty Propagation,UP)方法相结合。然而,由于耦合不同尺度下空间结构变化建模需要大量计算成本并且过程复杂,在这方面取得的研究进展有限。为提高三维机织复合材料仿真模拟的可靠性和稳健性,解决多尺度模拟中不确定性分析精度和效率之间的矛盾难题,本文以单向复合材料和三维机织复合材料为研究对象,开展细观尺度材料及几何不确定性表征、多尺度力学性能不确定性的量化和传播、神经网络代理模型方法及验证等工作,形成一套系统的复合材料力学性能不确定性分析方法,以期提升三维机织复合材料结构分析方法的有效性。 针对单向复合材料细观尺度孔隙缺陷引起的力学性能离散性问题,基于分离轴的数学思想建立了一套考虑孔隙体积分数,形状,大小,位置和分布的微观尺度单胞建模方法,并结合计算力学方法研究了随机孔隙特征对单向复合材料力学响应的影响。分别建立了四种典型的孔隙分布模型,揭示了其对单向复合材料失效机理的影响,综合分析了不同加载工况下的损伤演化过程和力学响应。结果表明,界面不规则孔隙的存在改变了剪切载荷工况下应力-应变曲线的变化趋势,所有类型的孔隙分布都会导致横向和剪切载荷下的失效强度显著降低。将该模型的预测结果与分析方法和已有的实验数据进行了比较,结果吻合良好。 针对材料和几何因素影响下三维机织复合材料力学性能不确定性的传播和量化问题,建立与统计不确定性相关的多尺度模拟方法。基于复合材料微观和细观结构的显微图像,总结其几何结构特征,给出材料和几何参数的不确定表征方法。采用双尺度信息传递方案和经实验验证的各向异性渐进损伤模型,并通过周期性边界条件下的数值模拟分析,给出了微观尺度材料参数不确定性传播规律和细观尺度几何参数对材料宏观响应的影响。研究发现,除剪切强度外,其余等效材料性能对材料不确定性较为敏感,几何结构的空间变化对局部初始损伤形貌和演化过程有显著影响。 针对高维参数下等效力学性能预测和不确定性分析的效率问题,提出了一种结合有限元模拟、Wide&Deep神经网络(Wide&Deep Neural Networks,WDNN)和敏感性分析的多尺度不确定性量化方法,对三维角联锁机织复合材料的拉伸响应进行概率评估。基于第三章的数值模拟工作,在随机框架下构建包含不确定性因素和宏观等效属性的样本数据库。基于WDNN模型建立不确定性因素与宏观等效属性之间的定量关系,并与其它常用机器学习模型结果进行对比,结果表明,只有WDNN模型在预测结果离散性最小的同时表现出优异的预测能力,意味着WDNN模型具有较高的稳态精度和泛化性能。最后,结合基于方差的全局敏感性分析方法,分别建立了材料和几何不确定性在确定宏观等效属性方差中的重要性框架,这些信息可以为减少宏观尺度不确定性提供指导。 针对复合材料在疲劳载荷下性能预测的离散性问题,建立了一种基于贝叶斯神经网络(Bayesian Neural Networks,BNN)的复合材料刚度退化概率模型。基于Pytorch深度学习库构建了BNN模型,通过变分推理的方法给出了贝叶斯后验分布的近似值,进而推理得到剩余刚度退化的一般规律。通过处理不同载荷工况、不同应力比和不同类型复合材料的剩余刚度问题,验证了所建立方法的有效性。此外,与传统的疲劳唯象模型相比较,BNN无需做出任何假设,即可提供完整的剩余刚度概率分布,能更好地拟合实验数据的离散性。