[发明专利]复合材料多尺度并发模拟方法和系统

说明书

本发明提供了一种复合材料多尺度并发模拟方法，包括如下步骤：步骤S1：通过数据驱动算法构建复合材料各个组成相材料的本构；步骤S2：针对本构模型进行自适应聚类分析，通过自适应聚类分析实现复合材料的多尺度并发计算，自适应聚类分析包括线上阶段和线下阶段，通过线下阶段基于应变集中张量对RVE划分集群并求解集群之间的相互作用张量分量，通过线上阶段自适应迭代调整参考材料刚度，结合各组成相材料本构模型，获得集群应力应变分布。本发明还提供了一种复合材料多尺度并发模拟系统。本发明对复合材料进行多尺度分析时不需要引入任何经验性的材料模型，省略了繁琐的参数标定过程，应用更为方便。

技术领域

本发明涉及复合材料设计技术领域，具体地，涉及一种复合材料多尺度并发模拟方法和系统，尤其涉及一种基于自适应聚类分析及数据驱动算法的复合材料多尺度并发模拟方法

背景技术

随着计算科学的高速发展及计算机性能的不断提升，有限元法等数值模拟技术越来越多的应用到各类工程技术领域，以指导工业生产，缩短设计周期，降低研发成本。目前流行的CAE分析软件种类繁多，建模技术与求解算法日趋成熟，对于实际工程中的结构分析、高速冲击、流固耦合、多物理场等问题提供了丰富的集成模块和解决方案。而另一方面，对于大部分CAE分析软件而言，其内置的材料模型不够丰富和完善，仍然存在多种形式的缺陷，特别是对于一些力学行为复杂的非线性材料，利用现有的材料模型无法准确描述其复杂的非线性力学行为。因此，准确而高效的材料本构模型，是在科学及工程问题中制约仿真分析精度及求解效率最为关键的一个因素。

复合材料作为一种典型的多相异质材料，其细观结构对宏观性能具有显著的影响。例如对于纤维增强复合材料而言，纤维的朝向、分布及体积含量，基体的塑性、损伤等非线性力学行为，以及界面的脱粘等因素都会对复合材料的宏观力学性能造成很大影响。传统的唯象本构模型从宏观尺度对材料的力学行为进行整体表征，无法描述细观尺度各相成分的应力应变演化过程；另一方面，复合材料复杂的细观结构决定其在宏观尺度往往具有明显的各向异性及强烈的非线性等特点，构造一个能够精确描述其力学行为的唯象本构模型十分困难。

代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法是解决以上困难的一种有效手段，通过建立一个代表复合材料局部细观特征的周期性有限元模型来预测材料在细观尺度上力学响应演化过程。但是在多尺度并发计算时，需要在宏观有限元模型的每一个积分点处调用RVE参与计算，现有的RVE计算效率无法满足实际需求。自适应聚类分析方法是由美国西北大学的Wing Kam Liu课题组提出的一种针对RVE的降阶方法，将RVE划分成若干集群，同一个集群具有均匀的应力和应变分布，以此降低系统的自由度数量。该方法能够极大的提升计算效率，缩短计算时间，满足多尺度并发计算需求。然而在细观尺度上，该方法仍然需要定义各个组成相的材料模型，采用唯象模型所带来的系统偏差仍然存在，在多尺度分析过程中偏差甚至可能会进一步放大，影响最终求解精度，该方法目前还难以做到完全实现数据驱动。

数据驱动算法是由加州理工学院的Ortiz等人提出的一种新型计算模式，在近年来不断得以发展完善，相关理论体系已扩展至粘弹性、弹塑性及动力学等问题。该方法直接从实验所获得的材料数据集出发，结合相容性条件及平衡方程等约束条件，通过对所有材料点自由能最小化，从而获得体系的最优解。该方法完全绕过了传统计算所需的材料本构建模步骤，能够从根本上解决唯象本构模型所带来的人为误差和复杂材料性能难以建模预测的困难。然而另一方面，该方法作为一种新型计算范式，其理论体系尚不及有限元法成熟，有较多的理论问题亟需解决完善；特别是该方法目前还无法考虑复合材料多尺度并发的模拟预测，只能进行宏观结构的力学性能仿真模拟；同时由于该方法的理论体系独立于现有的有限元理论体系，因此该方法难以在现有的商用有限元软件平台上实现，基于该方法的求解器也需要独立开发、调试及维护，这给该方法的推广和应用造成了很大困难。