姜 東, 陸 韜, 吳邵慶, 費(fèi)慶國

(1.東南大學(xué)工程力學(xué)系, 江蘇 南京 210096;2.江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210096)

引 言

新型2.5維編織C/SiC復(fù)合材料克服了2維編織復(fù)合材料層間性能差和3維編織復(fù)合材料制作工藝復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)周期長等缺點(diǎn)，具有較好的綜合性能和廣闊的應(yīng)用前景。然而，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由于纖維尺寸和纖維排列方式的隨機(jī)性、基體或纖維中孔洞和微裂紋、以及界面特性的分散性等諸多因素將導(dǎo)致復(fù)合材料等效彈性參數(shù)往往存在較明顯的不確定性[1,2]。

2.5維C/SiC復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的研究方法主要有理論分析、有限元計(jì)算或者靜力試驗(yàn)[3～5]。理論分析與有限元計(jì)算根據(jù)假設(shè)選取單胞模型，采用剛度平均法來分析材料的等效參數(shù)，與實(shí)際情況有一定差距；靜力試驗(yàn)只能測(cè)得有限的面內(nèi)彈性模量，面外彈性參數(shù)或剪切模量較難測(cè)量。針對(duì)2.5維C/SiC復(fù)合材料細(xì)觀模型的研究目前還不夠充分，對(duì)其等效參數(shù)的研究尚處于初步階段[4,5]。采用材料的宏觀力學(xué)特性，如動(dòng)態(tài)特性等來識(shí)別2.5維C/SiC復(fù)合材料等效彈性參數(shù)的方法，特別是考慮不確定性的情況尚未得到廣泛關(guān)注。

基于試驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)的有限元模型修正方法在建立精確動(dòng)力學(xué)模型的同時(shí)還能準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)[6,7]。然而，傳統(tǒng)的確定性有限元模型修正方法，針對(duì)某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型修正結(jié)果只能識(shí)別結(jié)構(gòu)的確定性參數(shù)，無法考慮參數(shù)的不確定性。由此產(chǎn)生了眾多解決不確定性問題概率或非概率的分析方法[8,9]，考慮不確定性的有限元模型修正方法在此基礎(chǔ)上得到較大的發(fā)展。很多方法被應(yīng)用到不確定性有限元模型修正中，包括攝動(dòng)法、區(qū)間分析法、貝葉斯方法等[10～16]。采用攝動(dòng)法進(jìn)行模型修正時(shí)，若待修正參數(shù)不確定性變化范圍較小，能高效地得到修正結(jié)果[10, 11]。比較而言，采用區(qū)間分析方法，待修正參數(shù)的區(qū)間在迭代的過程中極易擴(kuò)張，并且每一次迭代都需要采用優(yōu)化方法計(jì)算各參數(shù)的區(qū)間，對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算量太大[12,13]；貝葉斯的模型修正方法中需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)的概率分布函數(shù)[14～16]，這在工程中難以實(shí)現(xiàn)。本文采用基于攝動(dòng)法的不確定性有限元模型修正方法作為復(fù)合材料不確定彈性參數(shù)識(shí)別方法。

針對(duì)2.5編織維C/SiC復(fù)合材料彈性參數(shù)的不確定性識(shí)別方法開展研究。首先，在材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)理論研究的基礎(chǔ)上，采用剛度平均法預(yù)測(cè)復(fù)合材料彈性參數(shù)，根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果采用確定性的方法，識(shí)別2.5維編織C/SiC復(fù)合材料的等效彈性參數(shù)，作為不確定性識(shí)別方法仿真研究中不確定彈性參數(shù)的均值。然后采用拉丁超立方體采樣構(gòu)造仿真試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)樣本，開展2.5維C/SiC復(fù)合材料不確定性彈性參數(shù)識(shí)別方法研究。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 2.5維C/SiC復(fù)合材料等效彈性參數(shù)

本文研究對(duì)象為2.5維C/SiC編織復(fù)合材料，如圖1為2.5維C/SiC復(fù)合材料單胞模型。將理論預(yù)測(cè)的彈性參數(shù)作為參數(shù)識(shí)別的初始值。

圖1 2.5維C/CSi復(fù)合材料單胞模型

從細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)分析復(fù)合材料的力學(xué)性能，單胞內(nèi)紗線的幾何形狀應(yīng)滿足如下假設(shè)[4,5]：1) 緯紗的截面為雙凸透鏡形狀，且沿長度方向是均勻的，截面形狀保持不變；2) 經(jīng)紗的截面為矩形，編織軌跡可以由圓弧和與其相切的直線連接而成；以正弦曲線形狀穩(wěn)定、均勻排列，且變形率一致。將經(jīng)紗纖維束的柔度矩陣沿經(jīng)紗曲線積分，求其線平均值可得經(jīng)紗的平均柔度矩陣[5]，纖維束的剛度矩陣可由柔度矩陣求逆得出。根據(jù)單元體內(nèi)各組成紗線的空間取向，通過轉(zhuǎn)軸矩陣將紗線局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣轉(zhuǎn)換到材料整體坐標(biāo)系下

(1)

式中 下標(biāo)j，w分別表示經(jīng)紗和緯紗，Cl為局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣，T為應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣。假設(shè)復(fù)合材料孔洞只存在于基體中，Vj，Vw，Vk分別為經(jīng)、緯紗線和孔洞的體積分?jǐn)?shù)。由紗線和基體的剛度矩陣及各自的體積分?jǐn)?shù)按照剛度平均法可求得復(fù)合材料的總體剛度矩陣[6]

C=VjCj+VwCw+VmCm

(2)

式中Vm=1-Vj-Vw-Vk為基體體積分?jǐn)?shù)，Cj,Cw和Cm分別為經(jīng)紗、緯紗和基體在整體坐標(biāo)系下的剛度矩陣。剛度矩陣求逆可得到柔度矩陣S，根據(jù)柔度矩陣求得復(fù)合材料的彈性參數(shù)

(3)

理論預(yù)測(cè)中纖維幾何形狀的簡化，基體孔隙率的近似等諸多因素導(dǎo)致理論預(yù)測(cè)的彈性參數(shù)難以考慮不確定性。采用基于不確定性有限元模型修正理論的識(shí)別方法根據(jù)多次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果，能夠得到具有準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)意義的彈性參數(shù)。

1.2 不確定性識(shí)別方法

(4)

本文采用基于攝動(dòng)法的不確定性有限元模型修正方法作為復(fù)合材料不確定彈性參數(shù)識(shí)別方法。不確定性的有限元模型修正方法在傳統(tǒng)確定性的方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來。確定性的有限元模型修正可歸結(jié)為優(yōu)化問題即運(yùn)用優(yōu)化的思想對(duì)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，若在待識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)p的合理取值范圍p1≤p≤p2內(nèi)找到一個(gè)pA，目標(biāo)函數(shù)J(p)試驗(yàn)與計(jì)算模態(tài)參數(shù)的加權(quán)殘差取極小值，則pA為參數(shù)的精確識(shí)別結(jié)果。ε為模態(tài)參數(shù)的殘差，zm和za(p)分別為試驗(yàn)與計(jì)算的模態(tài)參數(shù)，加權(quán)矩陣W為反映各模態(tài)參數(shù)殘差相對(duì)權(quán)重的對(duì)角陣。設(shè)定待識(shí)別參數(shù)的初值，采用靈敏度分析的方法迭代求解優(yōu)化問題(4)，第j個(gè)迭代步的問題描述為

(5)

為了考慮不確定性，將方程(5)中的參數(shù)均表示為如下形式

(6)

(7)

其中

(8)

將式(6)代入式(5)可得不確定性識(shí)別問題的迭代方程

(9)

采用攝動(dòng)法，將式(9)中的關(guān)于δ的零階項(xiàng)和一階項(xiàng)分離，可得

求解式(10)，得到待識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)均值的迭代格式

(12)

或

(13)

(14)

若考慮試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)的不確定性對(duì)靈敏度矩陣的影響，由式(11)得到待識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性項(xiàng)的迭代格式

(15)

令

(16)

(17)

根據(jù)式(6)的描述，用δv表示參數(shù)v的不確定性，由協(xié)方差的定義可得

(18)

(19)

2 確定性彈性參數(shù)識(shí)別

本文針對(duì)幾何尺寸為300 mm×300 mm×2 mm的2.5維C/SiC復(fù)合材料板開展研究。采用錘擊法得到了板的前8階模態(tài)頻率及模態(tài)振型。利用剛度平均法，得到了如表1所示理論預(yù)測(cè)的復(fù)合材料彈性參數(shù)。通過靈敏度分析選取對(duì)動(dòng)態(tài)特性較敏感的參數(shù)，采用確定性方法加以識(shí)別，作為不確定性識(shí)別方法研究的彈性參數(shù)均值。

表1 理論預(yù)測(cè)的材料參數(shù)

2.1 參數(shù)分析

計(jì)算各階模態(tài)頻率對(duì)C/SiC復(fù)合材料彈性參數(shù)的相對(duì)靈敏度

(20)

式中Sr為相對(duì)靈敏度矩陣，fi為第i階模態(tài)頻率，pj為第j個(gè)彈性參數(shù)。由此選取對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響較大的彈性參數(shù)。對(duì)于正交各向異性復(fù)合材料，有限元程序中往往只能求得模態(tài)頻率對(duì)剛度系數(shù)的靈敏度。模態(tài)頻率對(duì)彈性參數(shù)的靈敏度可通過求導(dǎo)的鏈?zhǔn)椒▌t得到，即模態(tài)頻率對(duì)剛度系數(shù)的靈敏度列向量與剛度系數(shù)對(duì)材料參偏導(dǎo)數(shù)列向量對(duì)應(yīng)元素相乘，可得模態(tài)頻率對(duì)材料參數(shù)的靈敏度。采用以上方法求得2.5維C/SiC復(fù)合材料板模態(tài)頻率對(duì)各個(gè)參數(shù)的相對(duì)靈敏度，如圖2所示。從圖中可以看出，E11，E22和G12為對(duì)復(fù)合材料板動(dòng)態(tài)特性影響最大的3個(gè)參數(shù)。

圖2 模態(tài)頻率對(duì)彈性參數(shù)的相對(duì)靈敏度

2.2 識(shí)別結(jié)果

選取前4階試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率采用確定性方法來識(shí)別彈性參數(shù)E11，E22和G12。表2為確定性參數(shù)識(shí)別結(jié)果。將識(shí)別結(jié)果代入有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，考察前8階模態(tài)振型的模態(tài)置信度、1～4階模態(tài)頻率的復(fù)現(xiàn)精度、以及5～8階模態(tài)頻率的預(yù)示精度，從而驗(yàn)證彈性參數(shù)識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。如圖3所示為試驗(yàn)與計(jì)算振型模態(tài)置信度，振型匹配良好。表3為識(shí)別前后計(jì)算模態(tài)頻率與試驗(yàn)值的比較。從表中可以看出1～4階模態(tài)頻率的復(fù)現(xiàn)誤差平均值由2.24%減小到0.75%，5～8階模態(tài)頻率的預(yù)示誤差平均值由2.45%減小到1.71%，表明識(shí)別得到的彈性參數(shù)更加準(zhǔn)確。識(shí)別得到的模型可作為下一步進(jìn)行2.5維C/SiC復(fù)合材料不確定性彈性參數(shù)識(shí)別方法研究的基準(zhǔn)模型。

表2 確定性參數(shù)識(shí)別結(jié)果

表3 識(shí)別前后計(jì)算模態(tài)頻率與試驗(yàn)值比較

圖3 試驗(yàn)與計(jì)算振型模態(tài)置信度

3 不確定性參數(shù)識(shí)別仿真研究

3.1 仿真試驗(yàn)

圖4 不確定性彈性參數(shù)識(shí)別流程圖

根據(jù)復(fù)合材料彈性參數(shù)的識(shí)別結(jié)果，假設(shè)復(fù)合材料彈性參數(shù)中E11，E22和G12真實(shí)的統(tǒng)計(jì)特性為：μ(E11)=91.33 GPa，μ(E22)=99.21 GPa，μ(G12)=29.00 GPa；σ(E11)= 9.133 GPa，σ(E22)= 9.921 GPa，σ(G12)= 2.9 GPa；其中μ和σ分別表示均值和標(biāo)準(zhǔn)差，即假設(shè)復(fù)合材料彈性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為均值的10%。仿真的試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)樣本通過正態(tài)分布的拉丁超立方體采樣(Latin hypercube sampling, LHS)根據(jù)不確定彈性參數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)造樣本[20]，代入有限元模型中計(jì)算得到。LHS對(duì)輸入概率分布進(jìn)行分層，將累積概率曲線分成相等的區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間隨機(jī)抽取樣本。與蒙特卡洛采樣(Monte Carlo sampling, MCS)相比，LHS的優(yōu)勢(shì)在于采樣是整個(gè)空間的，而MCS可能由于樣本數(shù)量的不足而遺漏某一采樣空間。因此LHS是一種更加高效的抽樣方法，能夠有效地提高抽樣效率和減少運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)彈性參數(shù)中E11，E22和G12真實(shí)的統(tǒng)計(jì)特性，采用滿足正態(tài)分布的LHS構(gòu)造1 000個(gè)隨機(jī)樣本，帶入有限元模型中計(jì)算得到仿真的試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)樣本，由此可得試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)的均值和協(xié)方差矩陣，作為彈性參數(shù)不確定性識(shí)別方法研究中計(jì)算模態(tài)參數(shù)的目標(biāo)值。

在開展2.5維C/SiC復(fù)合材料彈性參數(shù)不確定性識(shí)別方法仿真研究時(shí)，首先估計(jì)待識(shí)別參數(shù)的初始均值和標(biāo)準(zhǔn)差：μ0(E11)=73.064 GPa，μ0(E22)=79.368 GPa，μ0(G12)=34.8 GPa；σ0(E11)=0，σ0(E22)=0，σ0(G12)=0；即假設(shè)材料的彈性模量E11,E22均值被低估了20%，剪切模量均值被高估了20%；假設(shè)3個(gè)參數(shù)的均方差初始值為零。

3.2 識(shí)別結(jié)果

不考慮試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)與待識(shí)別參數(shù)之間的相關(guān)性，針對(duì)2.5維C/SiC復(fù)合材料不確定性彈性參數(shù)的識(shí)別開展仿真研究。試驗(yàn)的模態(tài)參數(shù)通過仿真得到，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不受其他因素影響，取加權(quán)矩陣W=I；由于迭代過程中識(shí)別問題的方程組并未出現(xiàn)病態(tài)，正則化參數(shù)λ=0。

圖5 彈性參數(shù)均值收斂曲線

圖7 計(jì)算模態(tài)參數(shù)均值誤差迭代收斂曲線

如圖5與6為彈性參數(shù)均值與標(biāo)準(zhǔn)差誤差迭代收斂曲線，圖7為計(jì)算模態(tài)參數(shù)均值誤差迭代收斂曲線。從圖中可以看出，彈性參數(shù)的均值和方差、計(jì)算模態(tài)參數(shù)的均值在識(shí)別程序迭代到第7個(gè)迭代步時(shí)收斂，收斂后誤差均較小。為了更加直觀地比較識(shí)別后計(jì)算頻率與試驗(yàn)頻率，根據(jù)識(shí)別后復(fù)合材料參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)造1 000個(gè)彈性參數(shù)的樣本，帶入有限元模型中計(jì)算識(shí)別后的模態(tài)參數(shù)，將試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果分別按照對(duì)應(yīng)頻率的均值進(jìn)行歸一化，作如圖8所示的識(shí)別后試驗(yàn)頻率與計(jì)算頻率散點(diǎn)圖，從圖中可以看出識(shí)別后結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好。表4為不確定性彈性參數(shù)識(shí)別前后各參數(shù)誤差比較，識(shí)別后彈性參數(shù)均值的誤差絕對(duì)值由20%下降到1%以下，標(biāo)準(zhǔn)差誤差不超過5%；模態(tài)參數(shù)均值與方差的精度也有較明顯的提高，識(shí)別后的計(jì)算模態(tài)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果相比，前4階模態(tài)頻率均值誤差絕對(duì)值不超過1%，均方差不超過4%。表明當(dāng)2.5維C/SiC復(fù)合材料彈性參數(shù)存在不確定性時(shí)，采用本文的方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別彈性參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，建立具有統(tǒng)計(jì)意義的精確動(dòng)力學(xué)模型。

表4 不確定性彈性參數(shù)識(shí)別前后各參數(shù)誤差比較

圖8 識(shí)別后計(jì)算頻率與試驗(yàn)頻率散點(diǎn)圖(1 000 samples)

4 結(jié) 論

在開展2.5維C/SiC編織復(fù)合材料彈性參數(shù)等效理論研究基礎(chǔ)上，結(jié)合基于攝動(dòng)法的不確定性有限元模型修正，提出了一種復(fù)合材料參數(shù)不確定性識(shí)別方法。

選取對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響較大的3個(gè)彈性參數(shù)E11，E22和G12作為待識(shí)別參數(shù)，在確定性參數(shù)識(shí)別的基礎(chǔ)上開展不確定性彈性參數(shù)識(shí)別方法仿真研究。識(shí)別后，不確定性彈性參數(shù)均值的誤差由20%下降到1%以下，標(biāo)準(zhǔn)差誤差最大不超過5%；模態(tài)參數(shù)均值與方差的精度也有較明顯的提高；計(jì)算模態(tài)參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果相比，前4階模態(tài)頻率均值誤差絕對(duì)值不超過1%，均方差不超過4%。結(jié)果表明，當(dāng)考慮2.5維C/SiC復(fù)合材料彈性參數(shù)不確定性時(shí)，本文的方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別材料彈性參數(shù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，并建立具有統(tǒng)計(jì)意義的精確動(dòng)力學(xué)模型。

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