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航天航空装备超高性能和轻量化的不断需求,促进了热塑性纤维复合材料的快速发展与广泛应用。纤维复合材料的重要特点是非均匀性、材料力学性能各向异性等,尤其是微观结构错综复杂的短纤维复合材料,对短纤维复合材料宏观等效性能的预测提出了挑战。纤维的长度、取向、分布状态等微观组分参数对短纤维复合材料力学性能有着非常大的影响。本文围绕短纤维热塑性复合材料微观结构表征与宏观性能预报和短纤维微观组分参数设计两个方向开展研究工作。具体研究内容包括:(1)采用改进的随机顺序吸附法,基于空间几何思想发展了快速判断两纤维相交方法并建立周期性代表体积元;建立了高效计算等效性能的并行均匀化方法,算例表明本方法保证等效性能预报精度的同时,大幅提高计算效率;分析了短纤维热塑性复合材料微观组分参数对宏观等效性能的影响规律,宏观等效性能与纤维长度、纤维体分比、纤维弹性模量、基体弹性模量均呈正相关,与纤维直径呈负相关;(2)基于取向分布函数改进了随机顺序吸附法,建立了基于取向张量重构纤维取向分布函数的数学模型;针对传统随机顺序吸附法存在模拟的长度分布状态与预设长度分布函数不符的问题,通过改进随机顺序吸附法,建立考虑纤维长度分布的短纤维复合材料微观结构的重构方法,算例结果表明:随着代表体积元尺寸的增加,纤维长度分布与Weibull分布函数符合程度越来越高,验证了本方法的准确性;(3)建立了考虑离散变量的加点准则并搭建了相应的代理模型优化框架,采用离散变量遗传算法优化Expected Improvement(EI)函数最大值,避免了归整误差,经数学函数算例验证,与文献方法相比,本方法与理论最优解相差很小且运行目标函数次数比文献方法少一半,验证了本方法的高效性;提出一种短纤维热塑性复合材料微观组分参数优化模型,以纤维长度、直径、纤维与基体弹性模量为设计变量,并采用离散变量代理模型优化方法获得的最大等效弹性模量较初始值提高62.4%。