先进材料和结构失效分析与智能设计

空天装备和空天产业的发展是“十四五”发展规划重点支持方向之一。极端环境下热防护材料和关键热端部件服役温度越来越高，扩展材料极限性能需求愈发强烈。面向空天高性能复合材料需求，亟需发展各类先进复合材料，但其结构复杂，失效模式多样，无法采用传统的理论和分析方法，对材料-结构-功能一体化分析、设计、制造提出了挑战。据此，我们基于多尺度方法与理论、多层级变形与失效分析、多尺度强韧化设计方法，同时结合大数据分析、机器学习等新兴分析方法，针对空天先进材料和结构失效分析与智能设计开展了一系列的工作。

1. 先进材料和结构失效分析

在原子尺度，基于失效键的局部应力，定义原子键本征强度，只与局部化学环境相关，与缺陷类型、加载方式、失效键类型无关，得到了原子键断裂的统一标度。考虑外部载荷和残余应力引起的局部拉伸与键本征强度平衡原则，构建包含原子结构的统一强度理论，无需额外拟合参数，可准确描述二维材料不同缺陷失效曲面。在介观尺度，构建相场断裂与疲劳模型，揭示复杂结构材料断裂和疲劳裂纹萌生及演化机理。

 2. 先进材料和结构多尺度强韧化设计

层状聚集体和耐高温陶瓷在制备过程中形成复杂多级结构，跨越多个尺度，多尺度力学性能衰减机理不清，缺乏多层级微结构调控方法。基于石墨烯聚集体三层次优化设计方法，提出了高温退火调控缺陷、大片层提高结构完整性、塑化拉伸消除褶皱、层间缠结工程等策略，提高石墨烯纸性能，实现了石墨烯纸GPa量级强度及高导电、导热。

3. 先进材料和结构智能化设计方法

 结合机器学习方法，对当前纤维增强复合材料设计分析中存在的关键问题展开研究，分析了材料力学行为随纤维分布和纤维体积分数的变化规律，发展了微结构敏感的细观强度准则，构建了开孔层合板结构的许用荷载空间，为纤维增强复合材料的设计分析提供新的思路。