基于贝叶斯方法的含硅泡沫夹层结构性能退化建模与可靠性评估方法研究.pdf

摘要

含硅泡沫夹层结构是长贮产品中的关键结构，揭示其贮存阶段的性能退化规

律与准确评估其贮存可靠性对保障长贮产品安全贮存以及高效且可靠地执行任务

具有重要意义。一方面，功能材料和硅泡沫材料作为含硅泡沫夹层结构的关键部件，

其各自在贮存阶段的失效数据较少；另一方面，由于整体结构和装配的限制，无法

对两种材料的性能进行直接监测或拆解含硅泡沫夹层结构进行监测，因而难以直

接得知功能材料和硅泡沫材料在贮存阶段的性能演变过程。此外，功能材料和硅泡

沫材料受到共同环境应力的作用，两种材料的性能退化过程存在一定的相关性。因

此，如何准确描述含硅泡沫夹层结构中两种材料的性能退化过程并有效表征两种

材料性能退化过程的相关性是准确评估含硅泡沫夹层结构贮存可靠性的关键问题。

针对含硅泡沫夹层结构中由于样本小、试验条件限制等因素导致的材料数据

匮乏的问题，本文以揭示功能材料和硅泡沫材料的性能退化规律为目的，研究基于

加速退化数据的功能材料和硅泡沫材料的退化建模方法；考虑到加速退化试验与

贮存条件下材料性能退化规律的差异性以及两种材料性能退化过程的相关性，在

不考虑或考虑材料性能退化相关两种情形下，研究基于层间预紧力退化数据的含

硅泡沫夹层结构可靠性建模与评估方法。本文主要内容和创新点有：

（1）利用加速退化数据建立含硅泡沫夹层结构中功能材料和硅泡沫材料的性

能退化模型。针对功能材料和硅泡沫材料在贮存阶段失效数据与性能退化数据匮

乏的问题，本文结合伽玛过程与三种加速模型建立了两种材料的加速退化模型，基

于各材料的加速退化数据和贝叶斯方法推断各自加速退化模型的参数，并利用偏

差信息量准则选择最优加速模型。在此基础上，揭示功能材料和硅泡沫材料在正常

贮存应力水平下的性能退化规律。算例分析表明，功能材料和硅泡沫材料弹性模量

退化量的95%可信区间与各自的加速退化数据较吻合。

（2）提出了基于层间预紧力退化数据的含硅泡沫夹层结构可靠性评估方法。

考虑到功能材料和硅泡沫材料试验样品数量少、加速退化试验成本高以及加速退

化试验与贮存条件下材料性能退化规律存在差异性等问题，本文基于系统级监测

数据（层间预紧力退化数据）对含硅泡沫夹层结构进行可靠性评估。首先建立了含

硅泡沫夹层结构的有限元仿真模型，调整功能材料和硅泡沫材料的性能参数（弹性

模量）获取相应的层间预紧力响应并利用回归方法构建了材料性能与系统级性能

指标（层间预紧力）之间的函数关系模型；其次，基于蒙特卡洛方法构建了层间预

紧力退化数据的似然函数并利用贝叶斯方法推断出两种材料的退化参数；最后，基

于蒙特卡洛方法对含硅泡沫夹层结构进行可靠度评估。研究结果表明，所提方法能

够有效利用层间预紧力退化数据推断功能材料和硅泡沫材料的退化参数。

（3）提出了考虑功能材料和硅泡沫材料性能退化相关的含硅泡沫夹层结构可

靠性评估方法。针对由于共同环境应力（层间预紧力）导致的功能材料和硅泡沫材

料退化过程存在相关性的现象，本文首先分别利用伽玛过程和线性模型描述材料

的退化过程和表征层间预紧力对材料退化速率的影响，并结合材料性能与层间预

紧力之间的函数关系模型，构建了功能材料和硅泡沫材料的退化率交互模型；其次，

通过假设单位时段内层间预紧力不变，近似表征存在相关性时两种材料的性能退

化规律，进而构建了两种材料性能退化相关下层间预紧力退化数据的似然函数，并

利用贝叶斯方法推断出退化率交互模型的参数；最后，基于蒙特卡洛方法对两种材

料性能退化相关下的含硅泡沫夹层结构进行可靠度评估。研究结果表明，考虑功能

材料和硅泡沫材料性能退化相关的含硅泡沫夹层结构的可靠度估计值高于不考虑

性能退化相关的可靠度估计值。

关键词：含硅泡沫夹层结构、层间预紧力、性能退化相关、伽玛过程、贝叶斯方法

ABSTRACT

Silicon-containingfoamsandwichstructureisanimportantstructureoflong-storage

products.Revealingitsperformancedegradationbehaviorsandaccuratelyevaluatingits

storagereliabilityisofgreatsignificancetoguaranteereliabilityandsafetyo