復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論及仿真研究進(jìn)展

一、前言航空、航天、航海等領(lǐng)域的重大裝備發(fā)展迅速，服役環(huán)境更為惡劣，這對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的性能與功能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。滿(mǎn)足超輕量化、超高承載、極端耐熱、高可靠性等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)隱身、透波、抗爆、防火、減隔振等多種功能集成，需要在復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論及仿真方法層面取得突破，相關(guān)內(nèi)容成為國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料研究的關(guān)注重點(diǎn)。例如，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室、劍橋大學(xué)等，建立了多功能復(fù)合材料構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真方法、多參數(shù)多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)了集承載、防熱、隱身特性于一體的新型高性能復(fù)合材料構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了高超聲速飛行器、新型艦船等裝備應(yīng)用；我國(guó)的高校和科研院所在復(fù)合材料多尺度/多場(chǎng)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法等方面也取得了良好進(jìn)展。值得指出的是，發(fā)掘復(fù)合材料構(gòu)件的性能與功能潛力，突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)與應(yīng)用極限，依然是主要趨勢(shì)；國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)因起步晚、起點(diǎn)低，在復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論與仿真方面相比國(guó)際先進(jìn)水平仍存在不小差距。相關(guān)差距體現(xiàn)在四方面：①?gòu)?fù)合材料構(gòu)件多場(chǎng)多尺度設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化能力未能完全建成，裝備構(gòu)件的輕量化、多功能集成水平受限；②有關(guān)復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的理論認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致復(fù)雜構(gòu)件真實(shí)服役預(yù)測(cè)難，性能與設(shè)計(jì)偏差大；③復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法依然缺乏，從材料多尺度模擬到結(jié)構(gòu)多尺度模擬均有待實(shí)現(xiàn)，制約了大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)；④復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)薄弱，真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合的構(gòu)件性能與功能評(píng)價(jià)方法尚屬空白。目前，我國(guó)在復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論及仿真的研究現(xiàn)狀梳理不清，未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向未有系統(tǒng)性探討。本文立足復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用快速增長(zhǎng)的工程實(shí)踐，從背景與需求、現(xiàn)狀與趨勢(shì)、重點(diǎn)發(fā)展方向等方面系統(tǒng)梳理復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論與仿真研究進(jìn)展，突出多場(chǎng)多尺度、動(dòng)力學(xué)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)度與壽命等設(shè)計(jì)理論及仿真重點(diǎn)，據(jù)此提出未來(lái)研究建議，以期為復(fù)合材料構(gòu)件的研究布局、研制應(yīng)用等提供參考與啟示。二、復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)的背景與需求（一）復(fù)合材料構(gòu)件的多場(chǎng)多尺度設(shè)計(jì)理論先進(jìn)裝備對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件服役環(huán)境提出了嚴(yán)苛要求，如在高溫氧化、化學(xué)腐蝕、電磁輻射等極端和復(fù)雜環(huán)境下，復(fù)合材料構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的多物理場(chǎng)耦合行為，其變形、損傷、破壞是多種機(jī)理相互影響與耦合作用的結(jié)果。在航空、航天、深空、深海、醫(yī)工交叉等領(lǐng)域，很多復(fù)合材料構(gòu)件服役于復(fù)雜的多場(chǎng)環(huán)境中，涉及力學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、電磁等多物理場(chǎng)的耦合作用。例如，高溫環(huán)境下的復(fù)合材料構(gòu)件涉及力學(xué)與化學(xué)（如氧化、腐蝕、燒蝕等）耦合，不僅存在溶質(zhì)組分的擴(kuò)散、聚集等物理過(guò)程，還伴隨著氧化反應(yīng)等化學(xué)過(guò)程，表現(xiàn)出非平衡、非穩(wěn)態(tài)、多介質(zhì)、強(qiáng)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜特征。對(duì)于多場(chǎng)環(huán)境下服役的復(fù)合材料構(gòu)件，單純以力學(xué)量（應(yīng)力、應(yīng)變、變形能等）為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及失效準(zhǔn)則不再適用，亟需發(fā)展多場(chǎng)耦合的新型設(shè)計(jì)理論和仿真評(píng)估體系。復(fù)合材料構(gòu)件在細(xì)觀(guān)尺度單元中包含大量的纖維，若采用考慮基體、纖維所有微觀(guān)特征的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，對(duì)大尺度復(fù)合材料而言計(jì)算成本是難以負(fù)擔(dān)的。為了同時(shí)刻畫(huà)復(fù)合材料構(gòu)件宏觀(guān)與細(xì)觀(guān)尺度的多場(chǎng)耦合變形、損傷、破壞等行為，可行的方式是采用多尺度方法，即分別在宏觀(guān)、細(xì)觀(guān)尺度上開(kāi)展多場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)及計(jì)算，同時(shí)建立多尺度之間的聯(lián)系，相關(guān)方法在復(fù)合材料熱?力耦合，磁?電?力耦合等方面獲得初步應(yīng)用。多場(chǎng)耦合環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件的變形分析方法、損傷失效機(jī)理、服役安全及耐久性多尺度設(shè)計(jì)，是重大裝備發(fā)展過(guò)程中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。因此，發(fā)展多物理場(chǎng)耦合條件下復(fù)合材料?結(jié)構(gòu)一體化多尺度設(shè)計(jì)理論體系，是重要且具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)任務(wù)。（二）復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論及仿真方法爆炸、沖擊、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)服役環(huán)境，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論與仿真方法提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；诂F(xiàn)有的纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料體系，從材料固有屬性出發(fā)，突破材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)極限，發(fā)展真正面向?qū)嶋H動(dòng)態(tài)服役工況，具備抗爆、抗沖擊、減隔振性能的復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與仿真體系，是高性能復(fù)合材料構(gòu)件在未來(lái)裝備上的應(yīng)用趨勢(shì)。復(fù)合材料研究與應(yīng)用強(qiáng)國(guó)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗沖擊、抗爆炸性能方面已有數(shù)十年的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，建立了比較系統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與仿真體系；在此基礎(chǔ)上拓展形成了完整的復(fù)合材料抗爆、抗沖擊、減隔振動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及仿真標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，國(guó)內(nèi)存在的差距表現(xiàn)在：①有關(guān)復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的損傷演化規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)性能；②針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)抗爆、抗沖擊、減隔振等動(dòng)態(tài)響應(yīng)的設(shè)計(jì)理論與仿真平臺(tái)缺乏，無(wú)法充分發(fā)揮復(fù)合材料構(gòu)件在動(dòng)態(tài)載荷下應(yīng)有的性能與特征優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論及仿真方法是需求迫切且具挑戰(zhàn)性的科學(xué)任務(wù)。（三）復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法先進(jìn)裝備對(duì)高性能復(fù)合材料構(gòu)件的需求快速增長(zhǎng)，但現(xiàn)有設(shè)計(jì)與仿真方法難以實(shí)現(xiàn)顯著縮短以下方面的時(shí)間周期：復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)研發(fā)、大型復(fù)合材料構(gòu)件大批量虛擬實(shí)驗(yàn)、復(fù)合材料構(gòu)件多尺度力學(xué)行為表征。在基于經(jīng)典范式的單機(jī)串行求解體系下，復(fù)合材料構(gòu)件的大規(guī)模復(fù)雜力學(xué)行為計(jì)算仿真效率提升空間已逼近極限。隨著數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域中人工智能（AI）的快速發(fā)展，復(fù)合材料構(gòu)件仿真方法的研究范式已經(jīng)出現(xiàn)根本性的變化；在實(shí)驗(yàn)、理論、計(jì)算的經(jīng)典范式發(fā)展趨于成熟后，數(shù)據(jù)科學(xué)成為科學(xué)研究的第四范式。以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、AI、數(shù)字孿生為代表的大數(shù)據(jù)科學(xué)手段，可顯著降低智力消耗與時(shí)間成本，為復(fù)合材料構(gòu)件的高效研發(fā)與快速評(píng)估提供了新思路。發(fā)展以高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)、高效率數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法為核心的仿真方法，正當(dāng)其時(shí)。復(fù)合材料構(gòu)件在不同尺度上具有不同的材料特征，復(fù)雜承載條件下構(gòu)件的損傷與破壞也具有多尺度特征。傳統(tǒng)的唯象方法只能表征宏觀(guān)尺度下的平均性能，無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)細(xì)觀(guān)及微觀(guān)尺度下的力學(xué)行為；傳統(tǒng)的計(jì)算方法停留于代表性體積單胞的求解層面，只能得到細(xì)觀(guān)或微觀(guān)尺度上的力學(xué)響應(yīng)，而無(wú)法與復(fù)合材料構(gòu)件的宏觀(guān)性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)；傳統(tǒng)的唯象本構(gòu)及計(jì)算方法，難以精確且高效地預(yù)測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能。多尺度分析方法可有效捕捉復(fù)合材料構(gòu)件的宏?細(xì)觀(guān)力學(xué)行為，但面臨計(jì)算效率偏低、求解自由度過(guò)大等困難。因此，亟需引入數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，拓展與經(jīng)典力學(xué)方法相融合的多種計(jì)算仿真模式；建立復(fù)合材料構(gòu)件的高性能計(jì)算分析平臺(tái)，提供從材料設(shè)計(jì)、制備到結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的復(fù)合材料構(gòu)件全產(chǎn)業(yè)鏈支撐能力。（四）復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)方法工業(yè)與制造業(yè)快速發(fā)展，航空、航天、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、汽車(chē)、高壓容器等行業(yè)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件的需求穩(wěn)步增長(zhǎng)。在此背景下，追求發(fā)展結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度/剛度大的復(fù)合材料構(gòu)件，才能適應(yīng)工程應(yīng)用、發(fā)揮材料效率。例如，復(fù)合材料構(gòu)件廣泛用于寬體客機(jī)中的前機(jī)身段、機(jī)翼、中機(jī)身段、中央翼盒等部位，實(shí)現(xiàn)了減重20%~25%的工程目標(biāo)；國(guó)產(chǎn)高速磁浮列車(chē)上采用了復(fù)合材料制造的車(chē)體、司機(jī)室、懸浮架，較鋁合金方案減重30%以上，壽命延長(zhǎng)5年以上，綜合性能滿(mǎn)足整車(chē)的強(qiáng)度、撞擊、振動(dòng)等要求。然而，復(fù)合材料構(gòu)件的物理檢測(cè)面臨著尺寸極大、構(gòu)造異型、測(cè)試方法難以標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)驗(yàn)成本高、測(cè)試周期長(zhǎng)等問(wèn)題，不僅需要大型測(cè)試設(shè)備、設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)工裝，而且獲得的變形、疲勞壽命等數(shù)據(jù)往往數(shù)量有限。因此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值仿真、AI驅(qū)動(dòng)等手段，突破靜載、動(dòng)載、復(fù)雜環(huán)境條件下復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)技術(shù)，是保障重大工程、高端裝備服役安全性的必要舉措。三、復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論及仿真的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)（一）復(fù)合材料構(gòu)件多場(chǎng)多尺度設(shè)計(jì)理論復(fù)合材料構(gòu)件在高溫、氧化等復(fù)雜環(huán)境下的多物理場(chǎng)耦合變形、損傷與破壞行為研究以及對(duì)應(yīng)的多尺度計(jì)算等，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。復(fù)合材料構(gòu)件的熱氧化過(guò)程涉及“熱、力、化”高度耦合，從多尺度角度對(duì)熱?力?化耦合行為進(jìn)行設(shè)計(jì)分析與仿真，是具有挑戰(zhàn)性的研究課題。前期研究多是通過(guò)加速熱氧老化實(shí)驗(yàn)來(lái)開(kāi)展復(fù)材構(gòu)件的力學(xué)性能退化與壽命預(yù)測(cè)，利用阿倫尼烏斯定律來(lái)預(yù)估材料后期的力學(xué)性能；一定程度上體現(xiàn)了反應(yīng)/擴(kuò)散與力學(xué)的弱耦合（即考慮了化學(xué)場(chǎng)、熱場(chǎng)對(duì)力學(xué)的影響），但未考慮力學(xué)變形對(duì)熱反應(yīng)、化學(xué)擴(kuò)散的影響，實(shí)際上沒(méi)有建立復(fù)合材料構(gòu)件的多場(chǎng)耦合理論。針對(duì)超高溫復(fù)合材料構(gòu)件，建立了考慮塑性和蠕變的相場(chǎng)氧化模型，研究了初始粗糙表面、孔洞缺陷對(duì)氧化過(guò)程中力學(xué)行為的影響；基于熱力學(xué)框架建立了一種考慮質(zhì)量擴(kuò)散、氧化反應(yīng)、黏彈性有限變形耦合連續(xù)介質(zhì)模型，研究了SiC纖維在超高溫氧化過(guò)程中表面裂紋的形成機(jī)理；建立了化?力耦合的本構(gòu)理論，據(jù)此預(yù)測(cè)熱氧化復(fù)合材料的本構(gòu)響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，提出了具有熱力學(xué)一致性的化?力耦合大變形理論，考慮了氧擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)與力學(xué)的耦合作用，完成聚合物熱氧化與力學(xué)耦合變形行為數(shù)值模擬；進(jìn)一步地，將這種化?力本構(gòu)模型推廣到纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，對(duì)熱氧化、力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬；提出了熱?化?力耦合的黏塑性理論模型，應(yīng)用于金屬的力?氧化耦合問(wèn)題研究。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦/環(huán)氧樹(shù)脂/鈦膠合接頭，采用熱?化?力模型研究了熱氧化引起的應(yīng)力狀態(tài)與梯度，發(fā)現(xiàn)熱氧化梯度對(duì)接頭內(nèi)部應(yīng)力具有重要影響。針對(duì)復(fù)合材料在多場(chǎng)耦合條件下的變形和損傷演化問(wèn)題，主流方式是建立包括基體和纖維束在內(nèi)的細(xì)觀(guān)代表性體積單元有限元模型，基于聚合物氧化前后的力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入基體的本構(gòu)關(guān)系以及纖維/基體的內(nèi)聚力模型，對(duì)編織復(fù)合材料在不同熱氧化條件下的變形、損傷過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。這些有限元模型不是基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)所建，無(wú)法反映力學(xué)對(duì)化學(xué)場(chǎng)的影響。聚合物氧化反應(yīng)受到多種因素的影響，需在高分子水平對(duì)其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行深入理解，才能將化學(xué)效應(yīng)與力學(xué)變形耦合并據(jù)此開(kāi)展復(fù)合材料變形、損傷演化機(jī)制研究。當(dāng)前，多尺度復(fù)合材料構(gòu)件熱?化?力多場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)理論與仿真方法還有很大發(fā)展空間，如聚合物基復(fù)合材料化?力耦合理論模型僅考慮了聚合物的彈性變形，而實(shí)際熱氧化的編織復(fù)合材料由于基體的收縮會(huì)產(chǎn)生微裂紋損傷，同時(shí)力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征。建立考慮聚合物塑性變形、損傷演化的化?力耦合本構(gòu)理論，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。（二）復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論與仿真方法研究逐漸從準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)過(guò)渡到動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可變構(gòu)型層面。較多工作集中在建立沖擊和疲勞載荷下復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度理論、損傷預(yù)測(cè)模型、多尺度仿真方法，特別是結(jié)合復(fù)合材料構(gòu)件從靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及循環(huán)載荷條件下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論和仿真工作，對(duì)構(gòu)件復(fù)雜加載模式下的損傷力學(xué)理論進(jìn)行探索。研究了碳纖維、凱芙拉纖維組合非對(duì)稱(chēng)混雜三維正交機(jī)織復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，揭示了高速?zèng)_擊下的力學(xué)和破壞行為。在復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中引入結(jié)構(gòu)層次、長(zhǎng)度尺度，可豐富傳統(tǒng)構(gòu)件的抗沖擊、減隔振功能；利用該策略，總結(jié)了分級(jí)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、分級(jí)多孔材料、分級(jí)功能表面和高韌性陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，研判了分級(jí)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化方向的研究挑戰(zhàn)。將多級(jí)復(fù)合材料構(gòu)件作為變形結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)各層的約束、自適應(yīng)、預(yù)應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件形狀與剛度的大范圍動(dòng)態(tài)控制，為開(kāi)發(fā)形狀和功能可動(dòng)態(tài)調(diào)控的復(fù)合材料構(gòu)件提供了新思路。復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法將有效解決裝備結(jié)構(gòu)效能提升方面的瓶頸問(wèn)題，需針對(duì)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與仿真開(kāi)展深入研究，如減振降噪及抗沖擊性能一體化動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、多模感知與可重構(gòu)集成設(shè)計(jì)等；最終建立適應(yīng)復(fù)合材料構(gòu)件變構(gòu)型、減隔振、抗沖擊的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論，沖擊疲勞等工況下的強(qiáng)度與失效仿真方法。（三）復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法是以大量數(shù)據(jù)來(lái)推動(dòng)材料及結(jié)構(gòu)計(jì)算的分析方法，旨在降低與本構(gòu)建模、多尺度模擬相關(guān)的智力消耗與時(shí)間成本。根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法在模擬過(guò)程中所采取策略的不同，主要分為兩類(lèi)。一是基于能量/距離泛函的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法。對(duì)材料本構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，獲得等效的本構(gòu)關(guān)系或等效的應(yīng)變能密度函數(shù)，在計(jì)算力學(xué)框架下通過(guò)能量/距離求極值來(lái)得到問(wèn)題的解。使用本構(gòu)數(shù)據(jù)擬合了非均質(zhì)材料的顯式等效應(yīng)變能密度函數(shù)，進(jìn)而獲得材料的等效本構(gòu)關(guān)系；使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訓(xùn)練材料的隱式等效本構(gòu)關(guān)系（見(jiàn)圖1），在降低訓(xùn)練所需樣本的同時(shí)，顯著提高了仿真效率。基于距離泛函的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，對(duì)本構(gòu)數(shù)據(jù)點(diǎn)與滿(mǎn)足守恒定量點(diǎn)的距離求極值，可在無(wú)需數(shù)據(jù)擬合的情況下求得響應(yīng)。圖1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練等效本構(gòu)關(guān)系示意圖二是基于聚類(lèi)分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法。對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的細(xì)觀(guān)代表性胞元（RUC）進(jìn)行分塊或粗粒化，降低仿真的求解規(guī)模?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自洽聚類(lèi)分析方法（SCA）是此方向上的開(kāi)拓性工作，先在離線(xiàn)階段計(jì)算高保真RUC模型中各個(gè)單元的彈性應(yīng)變響應(yīng)，后據(jù)此進(jìn)行聚類(lèi)分析，將高保真RUC模型壓縮為基于聚類(lèi)的縮減RUC模型。進(jìn)一步，考慮材料彈塑性損傷的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自洽聚類(lèi)分析SCA方法被提出，實(shí)現(xiàn)了三維編織復(fù)合材料細(xì)觀(guān)單胞非線(xiàn)性力學(xué)行為的快速求解；衍生的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)SCA2方法、FE-SCA2方法，顯著降低了計(jì)算成本，避免了宏?細(xì)?微觀(guān)不同尺度耦合導(dǎo)致的維度災(zāi)難問(wèn)題（見(jiàn)圖2），實(shí)現(xiàn)了具有復(fù)雜微細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能并發(fā)多尺度計(jì)算。圖2數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自洽聚類(lèi)分析仿真方法示意圖基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SCA方法極大提升了復(fù)合材料細(xì)觀(guān)RUC的求解效率，有望實(shí)現(xiàn)大尺寸構(gòu)件的并發(fā)多尺度模擬。需從面向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)角度出發(fā)，構(gòu)建數(shù)據(jù)集處理數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)來(lái)提高構(gòu)件設(shè)計(jì)能力。隨著數(shù)據(jù)數(shù)量增加、質(zhì)量提升，專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)中可挖掘的研究主題會(huì)越來(lái)越多，面向更多功能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)將會(huì)持續(xù)推進(jìn)和擴(kuò)展。

（四）復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)方法目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)件強(qiáng)度、壽命強(qiáng)度及檢測(cè)等研究較多。對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用靜載試驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)等方式獲得構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、抗裂性等參數(shù)，在與相應(yīng)理論值對(duì)比的基礎(chǔ)上評(píng)估結(jié)構(gòu)狀態(tài)。采用動(dòng)力法（如起振設(shè)備、大偏心質(zhì)量震動(dòng)器、液壓起振器）激勵(lì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，獲得結(jié)構(gòu)固有頻率、振型、阻尼等動(dòng)力參數(shù)，據(jù)此分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能并為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。然而，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件制造過(guò)程以及構(gòu)型具有復(fù)雜性，初始缺陷不可避免，在不同使用環(huán)境下還會(huì)產(chǎn)生不同程度的擴(kuò)展；極端和復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度評(píng)價(jià)的等效實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法等有所缺失，制約了裝備升級(jí)換代與服役可靠性。因此，亟需發(fā)展極端環(huán)境下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命的高保真模擬及仿真評(píng)價(jià)方法。對(duì)不同尺度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件開(kāi)展強(qiáng)度、剛度評(píng)價(jià)，因工程中結(jié)構(gòu)件的尺寸較大、外形復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)區(qū)域的測(cè)量信號(hào)特征有差異，相應(yīng)的檢測(cè)方法面臨諸多挑戰(zhàn)；評(píng)價(jià)結(jié)果易受環(huán)境溫度、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)件形狀、表面狀況等參數(shù)變化的影響。設(shè)計(jì)了玻璃纖維平紋編織復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)樣品，結(jié)合微焦點(diǎn)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）原位拉伸實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展原位剪切力學(xué)實(shí)驗(yàn)；Micro-CT圖像表征了典型制造工藝引起的孔洞缺陷分布規(guī)律、多尺度微結(jié)構(gòu)演化及失效過(guò)程，為面向工程應(yīng)用的復(fù)合材料構(gòu)件參數(shù)特征提取與仿真提供了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)蒙特卡洛法和布爾運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了含有統(tǒng)計(jì)紗線(xiàn)幾何參數(shù)、孔洞缺陷的平紋編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高保真建模；結(jié)合復(fù)合材料漸進(jìn)損傷理論進(jìn)行失效過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)模量、強(qiáng)度、損傷演化過(guò)程的高效率和高保真預(yù)測(cè)，揭示了制造工藝缺陷對(duì)平紋編織復(fù)合材料失效過(guò)程的影響規(guī)律。也要注意到，對(duì)于復(fù)合材料構(gòu)件的特大變形、強(qiáng)不連續(xù)、多尺度沖擊失效等問(wèn)題，現(xiàn)有的復(fù)合材料理論和分析方法未能獲得全面驗(yàn)證，國(guó)產(chǎn)軟件平臺(tái)的仿真計(jì)算誤差難以確定。因此，亟需建立考慮復(fù)合材料構(gòu)件基材、構(gòu)型、缺陷特征的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度及剩余壽命預(yù)測(cè)理論和仿真方法?；谟邢拊椒ǚ治鰪?fù)合材料與結(jié)構(gòu)的損傷、疲勞等特性，據(jù)此評(píng)估復(fù)合材料強(qiáng)度與壽命，是當(dāng)前常用且有效的研究手段，如預(yù)測(cè)局部損傷并拓展至整體性能退化層面，最終獲得層壓板的疲勞壽命分析結(jié)果。影響復(fù)合材料層合板疲勞性能的因素包括：纖維和基體類(lèi)型、纖維方向、纖維體積分?jǐn)?shù)、平均應(yīng)力與應(yīng)力比、加載頻率、環(huán)境因素（濕熱）等。近年來(lái)，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析結(jié)果來(lái)評(píng)估疲勞壽命和強(qiáng)度行為的方法主要有：疲勞壽命模型，基于剩余剛度、剩余強(qiáng)度的唯象模型，漸進(jìn)損傷模型（機(jī)理模型）。例如，基于連續(xù)損傷力學(xué)理論，發(fā)展了復(fù)合材料內(nèi)部損傷的萌生、擴(kuò)展模型以及疲勞損傷模型，適用于多級(jí)載荷工況下的復(fù)合材料疲勞失效數(shù)值模擬分析；將剩余應(yīng)變作為損傷參量并表征疲勞壽命，建立基于應(yīng)變的疲勞損傷判據(jù)并以剩余強(qiáng)度為失效判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測(cè)；通過(guò)數(shù)值模擬方式建立纖維復(fù)合材料界面開(kāi)裂、纖維開(kāi)裂模型，評(píng)估了復(fù)合材料疲勞壽命與性能。隨著AI技術(shù)的進(jìn)步，基于AI預(yù)測(cè)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)損傷、疲勞性能等效率很高。借鑒統(tǒng)計(jì)理論、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分析方法，在復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)方向獲得了成功探索。采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)編碼器、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），針對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而表征復(fù)合材料的強(qiáng)度特性；基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)玻璃環(huán)氧復(fù)合材料熱成像疲勞損傷進(jìn)行仿真分析，用于復(fù)合材料與構(gòu)件的安全評(píng)估及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；在一體成形復(fù)合材料中內(nèi)嵌溫度傳感器、分布式光纖器，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料服役性能和狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及檢測(cè)，也可對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷和損傷進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)。四、復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論及仿真的重點(diǎn)發(fā)展方向（一）極端和多場(chǎng)環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論目前，復(fù)合材料構(gòu)件的多場(chǎng)耦合問(wèn)題研究多是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定性評(píng)估或弱耦合研究，如復(fù)合材料的力學(xué)?熱氧化耦合研究較多采用加速老化試驗(yàn)等手段對(duì)性能劣化進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)評(píng)估，或基于弱耦合模型開(kāi)展理論與數(shù)值分析。然而，復(fù)合材料熱氧化本質(zhì)上是一種由擴(kuò)散?反應(yīng)耦合過(guò)程驅(qū)動(dòng)的高度非線(xiàn)性現(xiàn)象，與力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)為強(qiáng)耦合作用，已有研究方法無(wú)法從機(jī)理層面解決隨化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程而演化的力學(xué)問(wèn)題。引入化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，從機(jī)理角度研究復(fù)合材料力?化耦合及其損傷演化是有價(jià)值的發(fā)展方向。熱氧化過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)、力學(xué)變形均涉及功能轉(zhuǎn)換，在熱力學(xué)框架下將力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立關(guān)聯(lián)，據(jù)此形成熱力學(xué)一致、考慮塑性與損傷的復(fù)合材料多場(chǎng)本構(gòu)模型；建立失效準(zhǔn)則，開(kāi)展復(fù)合材料變形與損傷的多尺度計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征，揭示宏/細(xì)觀(guān)多場(chǎng)耦合響應(yīng)及損傷演化機(jī)理。復(fù)合材料在外載荷、熱氧化等多物理場(chǎng)作用下的耦合變形和損傷演化是典型的多尺度問(wèn)題（見(jiàn)圖3），涉及宏觀(guān)復(fù)合材料、細(xì)觀(guān)尺度纖維束、微觀(guān)尺度纖維/基體的多場(chǎng)耦合變形與損傷，是復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)及仿真分析的難題。多場(chǎng)耦合載荷下的復(fù)合材料構(gòu)件多尺度設(shè)計(jì)理論與仿真，是未來(lái)重要研究方向之一。圖3編織復(fù)合材料不同尺度結(jié)構(gòu)示意圖（二）復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)理論在爆炸、沖擊等動(dòng)態(tài)荷載作用下，復(fù)合材料構(gòu)件的響應(yīng)行為與靜荷載作用工況存在差異性，特別是在應(yīng)考慮載荷作用的隨機(jī)性、時(shí)效性以及材料/結(jié)構(gòu)性能演化的情況下。隨著材料?結(jié)構(gòu)?功能一體化設(shè)計(jì)水平的提升，新型多功能復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)并投入應(yīng)用，為材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為研究提供了機(jī)遇。材料?構(gòu)件?功能一體化設(shè)計(jì)方面的新進(jìn)展、新成果為復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究提供了寬闊空間，特別是非經(jīng)典現(xiàn)象及新概念的引入（如負(fù)質(zhì)量、負(fù)模量、密度張量、單向傳播、拓?fù)浔Ｗo(hù)），為學(xué)科發(fā)展帶來(lái)了新動(dòng)力。基于動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的復(fù)合材料構(gòu)件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論與仿真技術(shù)，依然是具有活力的研究方向。

（三）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料構(gòu)件仿真方法基于能量/距離泛函的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法、基于聚類(lèi)分析的縮減降階模型，都存在諸多尚未解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，需在3個(gè)方向?qū)嵤┲攸c(diǎn)突破。①發(fā)展復(fù)合材料代表性單胞基因庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)基因庫(kù)，支持實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)及評(píng)估；②改進(jìn)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，支持復(fù)合材料構(gòu)件非線(xiàn)性并發(fā)多尺度模擬的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；③復(fù)合材料構(gòu)件分析能力目前主要依賴(lài)商用軟件，亟需融合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真方法與計(jì)算力學(xué)相關(guān)軟件，發(fā)展以高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)、高效率數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法為核心的多尺度計(jì)算分析平臺(tái)（見(jiàn)圖4）。圖4先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化多尺度計(jì)算平臺(tái)示意圖（四）復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)方法從復(fù)合材料損傷機(jī)理角度出發(fā)，利用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)、剪滯模型、變分理論、帕里斯定律等理論，表征復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的損傷、缺陷特征并建立結(jié)構(gòu)參數(shù)隨載荷作用變化的數(shù)值模型，據(jù)此開(kāi)展強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)研究，是當(dāng)前的通行做法；采用基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的多尺度缺陷特征及結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立含真實(shí)缺陷的三維有限元模型，據(jù)此預(yù)測(cè)復(fù)合材料的疲勞壽命，為復(fù)合材料剩余強(qiáng)度及疲勞壽命評(píng)估理論和技術(shù)研究提供可靠依據(jù)，也是常規(guī)性研究。值得指出的是，傳統(tǒng)的強(qiáng)度與壽命評(píng)價(jià)方法已不能完全適應(yīng)材料應(yīng)用的新形勢(shì)，需要集成連續(xù)介質(zhì)疲勞理論、多場(chǎng)耦合跨尺度分析方法、有限元相場(chǎng)、有限元統(tǒng)計(jì)法，建立復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字仿真新方法；依托智能算法與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)手段，建立復(fù)合材料構(gòu)建設(shè)計(jì)與分析軟件平臺(tái)，發(fā)展更高效、更精確的強(qiáng)度與壽命評(píng)價(jià)方法體系（見(jiàn)圖5）。圖5復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度與壽命仿真評(píng)價(jià)方法體系相關(guān)研究可在六方面具體展開(kāi)。①考慮工程應(yīng)用中的測(cè)量誤差、材料特性分散性、不同損傷機(jī)制的隨機(jī)性對(duì)損傷過(guò)程的影響物理機(jī)制，發(fā)展精確耦合的疲勞損傷模型和評(píng)價(jià)技術(shù)；②開(kāi)發(fā)針對(duì)循環(huán)疲勞損傷萌生與演化過(guò)程的高精度在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，尤其是微米級(jí)疲勞裂紋的損傷演化特征研究，推動(dòng)基礎(chǔ)科研向高端工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)變；③基于大數(shù)據(jù)和AI算法，提高損傷和疲勞數(shù)值分析結(jié)果的可靠性，形成覆蓋復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從生產(chǎn)制造到應(yīng)用服役再到退役全過(guò)程的分析與檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)由小尺度缺陷、大尺度損傷引起的復(fù)合材料力學(xué)性能變化的數(shù)值分析與性能評(píng)估能力；④針對(duì)耦合場(chǎng)（熱、電、磁、化學(xué)腐蝕）作用下的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，發(fā)展耦合復(fù)雜環(huán)境效應(yīng)的跨尺度、多層次損傷描述與疲勞壽命分析方法；⑤發(fā)展內(nèi)置傳感檢測(cè)的復(fù)合材料制備技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并表征剛度、強(qiáng)度、功能參數(shù)等性能指標(biāo)，為智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的損傷和壽命評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)；⑥發(fā)展基于耐損傷生物結(jié)構(gòu)的物理機(jī)制，突破多層級(jí)、跨尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，形成自適應(yīng)的智能損傷與疲勞壽命數(shù)值模型。五、復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)理論及仿真研究建議（一）面向裝備工程應(yīng)用的復(fù)合材料構(gòu)件多場(chǎng)多尺度設(shè)計(jì)技術(shù)針對(duì)重大裝備對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用需求，綜合理論、數(shù)值、實(shí)驗(yàn)研究手段，采用微觀(guān)?細(xì)觀(guān)?宏觀(guān)、自下而上的研究策略，系統(tǒng)開(kāi)展復(fù)合材料構(gòu)件力?熱?化耦合變形與破壞的多尺度分析，形成多場(chǎng)多尺度設(shè)計(jì)理論與技術(shù)體系。發(fā)展多場(chǎng)耦合環(huán)境下聚合物基體及纖維的力?熱?化等耦合理論模型，揭示溫度、氧濃度、氧化時(shí)間等因素對(duì)復(fù)合材料組分彈