随机三维裂纹结构的剩余强度可靠性分析方法研究

In practical engineering, since there exist a large number of cracked structures, the residual strength prediction of them is very important for ensuring the security of service structure. Most of the existing residual strength reliability analysis methods of cracked structure are based on two-dimensional or empirical analytical model. However, for three-dimensional cracked structure with arbitrary geometric features, they will suffer some bottlenecks caused by the non-analytic stress intensity factor and large-scale computing problems. This project aims to study residual strength reliability analysis method of three-dimensional cracked structure to effectively predict the failure probability at any given moment by combining the three dimensional crack growth mechanism and uncertainty analysis theory . The main researches of this project include the key scientific problems such as the parametric uncertainty quantification, residual reliability analysis model and its efficient solution strategy for stochastic three-dimensional cracked structure, and then the correlated models and algorithms are integrated and tested. Finally, the residual strength reliability analysis system of stochastic three-dimensional cracked structure can be preliminary formed, which expects to provide a certain theoretical foundation for the residual strength reliability prediction of the key components of sophisticated high-end equipment.

由于实际工程中存在大量的裂纹结构，因而对其进行剩余强度可靠性分析将有助于保证工程结构的服役安全性。现有剩余强度可靠性分析方法大多数是基于二维裂纹结构或经验性解析模型来进行分析评估的，而针对具有任意几何特征的三维裂纹结构问题时将遭遇应力强度因子难以解析获取、大规模计算等带来的若干瓶颈问题。本项目将通过融合三维裂纹扩展机制和不确定性分析理论，研究随机三维裂纹结构的剩余强度可靠性分析方法，以有效预测复杂裂纹结构在任意时刻下的断裂失效概率。主要研究随机三维裂纹结构的参数不确定性度量、剩余强度可靠性分析模型和高效求解策略等关键科学问题，并对相关模型和算法进行集成及试验验证。最终，初步形成随机三维裂纹结构剩余强度可靠性分析系统，期望为复杂高端装备关键结构件的剩余强度可靠性预测提供一定的理论基础。

裂纹结构的剩余强度预测是一个高度复杂且具有时变特性的问题，需掌握剩余强度随裂纹增长的变化规律，对裂纹结构连续使用中任何一时刻能够达到的静强度值进行估计，进而合理规定剩余强度载荷要求，以保证结构的服役安全性。实际工程中，由于制造工艺、冶炼过程和服役环境等的差异，裂纹结构中存在着大量不确定性参数。受外部环境因素的影响，结构所受载荷通常是随机波动等。由于这些不确定性参数在结构中相互耦合、传播和放大，将可能使结构的剩余强度发生较大波动。因此，针对裂纹结构进行剩余强度评估和预测时，有必要引入不确定性分析方法，建立随机裂纹结构全生命周期剩余强度可靠性分析理论和方法，进而有效保障结构的高安全性和服役稳定性。.本项目针对具有任意几何特性的三维裂纹结构存在应力强度因子难以解析获取、大规模计算等带来的若干瓶颈问题，开展复杂随机三维裂纹结构的剩余强度可靠性分析方法研究。具体的主要研究内容包括：随机裂纹结构的参数不确定性度量技术，包括考虑参数存在认知、数据缺乏、模糊等不确定性下的裂纹结构断裂统计特性和考虑空间随机断裂特性的裂纹结构非均质随机场度量方法；三维随机裂纹结构剩余强度不确定性传播分析方法，包括考虑裂纹扩展常数相关性的疲劳裂纹扩展寿命不确定性传播分析方法和考虑认知不确定性的三维裂纹结构损伤容限分析方法；剩余强度可靠性高效求解方法，包括基于主动策略的疲劳寿命可靠性分析方法和基于深度学习的裂纹结构智能损伤评估方法；系统集成及工程应用，搭建了裂纹结构多源不确定可靠性分析软件系统，并将研究成果在直升机抗弹击损伤容限分析中进行了应用。相关研究成果有望为航空发动机、高铁、直升机传动系统等的损伤容限可靠性分析和设计奠定一定的理论基础。