面向压电智能复合材料可靠性优化设计的极限安定承载多尺度分析

Smart composite structures integrated with piezoelectric material have a promising application in high-end manufacture and aircraft industries, thanks to their high strength, stiffness, as well as the shape control and vibration control capabilities. The sustainable design in new industrial mode puts high requirements not only on safety but also the biggest material utilization. Therefore, the multiscale optimization design is of great significance, which considering the loading capacity and reliability requirements in material and structure level, respectively. .Herewith we use the limit and shakedown theorem to model the plastic design of the randomly reinforced metal matrix, with the consideration of hardening and temperature-dependent effects. Main research will be carried on: a) the multi-scale shakedown modeling of composite materials through the combination of finite element method, homogenization theory and statistical approach to solve the uncertainty of RVE; b) the multi-physics coupled modeling of smart piezoelectric composite material and reliability optimization design for its structure; c) the efficiency enhance of the large-scale nonlinear optimization algorithm for the strength modeling on certain number of RVE samples, enable the bi-directional optimization design and life evaluation. .The successful completion of the proposed project will lead to a systematic loading capacity predication of piezoelectric smart composite materials with more accurate theoretical algorithm and effective numerical analysis tools, providing a valuable design reference both for materials and for structures.

以金属基复合材料为基体集成压电层构成的智能结构，满足力学性能并具备传感与致动能，在高端制造和航空领域有重要应用。新型工业模式下的可持续性设计，在确保结构可靠前提下，对材料利用率提出更高要求。因此，同时考虑材料承载能力和宏观结构可靠性要求，进行多尺度优化设计具有重要意义。.本项目以压电智能复合材料为研究对象，基于极限和安定理论，考虑硬化和温度效应，对材料进行承载预测和结构优化设计。重点研究：a)随机增强复合材料的多尺度安定建模，通过统计方法解决代表性单元的不确定性; b)压电智能结构多物理场耦合安定建模，基于可靠性理论优化设计宏观智能结构；c) 改善大规模非线性二次优化效率，对适量RVE样本分析和强度建模，实现双向传递优化模式的仿真设计和寿命评估。.本项目成果将为压电智能复合材料承载域预测提供更精确的理论算法和有效的数值分析手段，为智能材料和结构可靠性一体优化设计提供重要依据。

以复合材料为基体集成功能材料构成的智能结构满足力学性能并具备传感与致动能，在高端制造和航空领域有重要应用。新型工业模式下的可持续性设计，在确保结构可靠前提下，对材料利用率提出更高要求。因此，同时考虑材料承载能力和宏观结构可靠性要求，进行多尺度优化设计具有重要意义。本项目以智能复合材料为研究对象，基于极限和安定理论，对材料进行承载预测和结构优化设计。.针对随机增强复合材料，基于均一化原理，建立细观和宏观联系。细观层面采用统计方法解决代表性单元（RVE）的不确定性。定义合理周期性边界，构建RVE的极限和安定问题，预测材料的疲劳强度和极限强度。宏观层面，对功能结构多物理场耦合建模，优化设计宏观智能结构。根据宏观结构受载力学反应，对局部材料构成提出要求，通过复合材料可设计性，给出设计依据。能通过双向设计，融合多种优化技术和设计技术，如拓扑、尺寸优化，创成式设计等，实现轻量化设计。.数值实现上，针对非规则几何体，采用缩减高斯节点的四面体单元构建安定问题，大幅度降低分布在积分点上的变量数。针对大规模非线性数学规划问题，基于内点法，采用GUROBI求解器，大幅提高求解效率。.本项目的研究成果为复合智能结构承载域预测提供更精确的理论算法和有效的数值分析手段，为智能材料和结构可靠性一体优化设计提供重要依据，对实际复杂工业结构的安定评估提供了技术保障。