材料参数识别的代理模型方法及鼓包试验设备开发

作     者：段辉亚 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨昌棋

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：多项式代理模型 识别方法 鼓包实验仪器化 参数自动化反演系统 

摘      要：对于材料而言,其稳定性和可靠性在很大程度上取决于材料的力学行为,而材料的力学行为主要受到材料的力学参数的影响。准确的材料力学参数对于功能器件的设计与模拟分析非常重要,因而使得研究材料力学参数的识别方法备受关注。然而,对于不同种类的材料其本构模型具有多样化,而传统实验技术或者计算反求技术往往只能针对特定材料的特定模型,而且识别和测量精度都有相应的局限性。例如实验方法中的压痕法、电测法等传统测量技术存在测点少、受环境的影响比较大等局限性,再有计算反求技术中的Levenbeg-Marquardt在反求时受制于初始值的选取,都难以精确的得到材料的本构模型参数。而且此类传统识别方法对于薄膜材料和一些非线性材料都难以进行参数识别。因此研究一种具有统一性的识别方法非常重要,并且对此识别方法进行系统化,从设备的角度将系统化识别方法的进一步仪器化,有利于实现一整套仪器设备来测量任何材料的力学参数。本论文针对上述问题背景及难点开展了相应的工作,其主要的工作如下:(1)提出了一种以代理模型为基础,结合鼓包实验测量技术的材料本构模型参数识别方法。首先,运用改进的鼓包实验装置测量了材料鼓包实验试件相应测点的挠度实验值;其次,根据相应的鼓包实验环境和试样几何形状和尺寸建立了正问题的有限元模型。然后再依据代理模型构建步骤,选择拉丁超立方试验设计方法选取相应数量的材料参数样本点,在将材料参数样本点带入正问题模型中,得到相应材料参数所对应的响应值,构建样本数据集,从而结合最小二乘法构建相应的材料多项式代理模型。最后构建反问题优化模型,将测点的挠度实验值与相应测点的代理模型值之间的相对误差的平方和作为目标函数,引入状态转移算法进行参数反求,实现了反问题优化的求解精度与收敛速度的双平衡。其中利用代理模型,将隐式的非线目标函数优化问题转化为显式的目标函数优化问题,这样可以避免已往在参数识别中的众多问题。又由于代理模型不依赖于试验,可以预先建立代理模型数据库。它可为鼓包试验装置的仪器化奠定算法基础,并且还能够有效的解决鼓包方法对具有不同本构关系的薄膜材料力学参数识别方法难以统一的问题。(2)对所提出的统一性识别方法进行了相应的验证。首先选取已知材料参数的304不锈钢试件和未知材料参数的橡胶材料,将其制成鼓包实验试件,利用改进的鼓包实验装置测量多个测点的实验挠度值。其次在应用本文的识别方法反求了两种材料的本构模型参数,着重讨论了材料参数反求区间的选择。为了进一步确定本文的方法对非线性材料的识别的准确性,本文还选取了两种已知材料参数的不同编号的硫化橡胶材料进行验证,实验结果表明,本文的方法能有效的并且准确的识别未知力学参数的非线性材料。(3)提出了鼓包试验设备开发的基本方案,即设计了参数自动化反演识别系统,有效的实现了鼓包实验的仪器化基础目标。为了进一步解决本文参数识别过程的繁琐操作,达到批量化处理材料参数的目的,本文基于前文的基本识别思路,整理了整个识别过程中的四大模块,利用商业软件和编程语言进行实现,提供相应的接口,使得各个模块不仅可以独立运行,也能高效联合的进行批量处理,提高了工作效率。其间,还利用了全局灵敏度分析方法,对代理模型进行了灵敏度分析,有效的分析了试件厚度以及鼓包试验载荷对代理模型的影响,有利于鼓包试验标准试件的制作及鼓包试验装置加载系统的确定,为进一步进行装置试验台搭建奠定了基础。