使用纤维增强制造高性能注塑件,在航空、航天等高科技领域中具有重要的应用前景。这类注塑制品是具有明显细观结构特征的多相材料,随着组分选择和纤维取向等细观结构参数变化,其力学性能会发生明显变化,呈现明显的各向异性。注塑成型是短纤维增强聚合物成型加工的重要方法之一,它具有适应性强、生产效率高、产品质量易于保证等众多优点,能生产各种形状、尺寸、精度等要求不同的制品。对注塑件中纤维取向分布进行预测,进而对注塑制品的力学性能进行预测,对这类高性能注塑件的设计和应用具有重要意义。本论文围绕纤维增强聚合物注塑成型过程中纤维取向张量封闭格式以及纤维增强聚合物力学性能预测,针对纤维取向分布函数的求解以及纤维取向张量封闭格式的建立两方面展开了一系列的研究工作。具体内容如下:1.为了建立拟合类纤维取向张量封闭格式,需要求解Fokker-Planck方程,从而得到纤维取向概率分布函数,然后根据定义计算纤维取向张量。文中采用基于通量守恒的有限体积数值计算方法,求解Fokker-Planck方程,通过求解简单流场、组合流场以及中心浇口圆盘流场,显示出该数值求解方法具有较好的数值稳定性。(第二章)2.针对EGO(Efficient Global Optimization)算法在Kriging模型自适应迭代过程中出现过早收敛等问题,提出了改进的EGO算法并增加更加有效的收敛准则;根据工程优化问题更加关注最优解这一特点,在Kriging模型更新迭代过程中,优先考虑模型的最优解。根据分而治之的思想,提出了分区域EGO并行优化算法,该方法对求解问题自变量的求解域进行均分,从而在每个子域进行新样本的求解,可有效提高计算效率。针对多目标优化的工程问题,提出基于改进EGO以及分区域EGO和NSGA-Ⅱ的多目标优化算法,实现了多目标优化问题Pareto解集的求解。文中通过一个注塑制品的多目标优化,表明了上述方法在实际应用中具有很好的效果。(第三章)3.结合已有纤维取向张量封闭格式,选取典型的简单流场,进行有限体积法求解,得到纤维取向概率分布函数,分别以二阶取向张量特征值与四阶正交取向张量的主轴值为输入和输出变量,采用改进的全局优化算法得到取向张量封闭格式,同时给出取向张量封闭格式精度。通过期望准则增加相应的流场分析,来提高纤维取向张量封闭格式的精度。通过对已有纤维取向封闭格式的结果对比,显示出基于EGO封闭格式具有较高的精度。在中心浇口圆盘流场纤维取向预测时,EGO封闭格式出现了非物理振荡,通过增加一个流场取向信息,大大提高了预测精度,进一步说明EGO封闭格式对于提高纤维取向精度具有更强的针对性。(第四章)4.针对聚乳酸/埃洛石纳米管(PLA/HNTs)复合材料体系,建立了截断和不截断两种情况下的随机分布纤维单胞模型,采用渐近均匀化方法预测复合材料的刚度,并分析不同随机分布纤维构型对预测结果的影响。通过和实验以及其它预测方法对比,渐近均匀化方法具有更高的计算精度和更高的计算效率。(第五章)5.基于实验分析,利用渐近均匀化理论,从材料的微观结构特点出发,构建了颗粒增强三相聚合物的多尺度分析计算模型。研究了三相聚合物基复合材料的有效弹性模量与代表性体积元大小以及体积元两相颗粒空间分布的关系。研究结果表明随着体积元尺寸的增加,三相聚合物基复合材料的有效弹性模量逐渐趋于稳定值,适当体积元大小的选取,可以减少数值计算计算量;相同体积元大小,不同的两相颗粒分布会得出不同的弹性模量预测结果。(第五章)