【基金标书】2010CB832700-复杂装备研发数字化工具中的计算力学和多场耦合若干前沿问题

1、项目名称：复杂装备研发数字化工具中的计算力学和多场耦合若干前沿问题首席科学家：张洪武 大连理工大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部 辽宁省科技厅一、研究内容重大工业装备和现代化特种军工装备的设计和制造越来越趋向于集成化和多功能化，很多尖端高技术装备也往往在多场耦合和极端条件等复杂和苛刻的环境下运行。为了提高这些装备结构设计数字化设计工具的力学与多场耦合分析水平，需要我们研究和解决极端环境和多场耦合下复杂结构服役行为的力学建模与数值模拟、极端瞬态条件下结构动力学响应或多物质波的精确数值求解、材料与结构多时空尺度性能演变机理和数值分析、考虑多场耦合及不确定性的材料与结构的优化设计等具有共性的科学问题，而计算力学传统的理论和算法难以有效地对这些问题进行处理，必须发展新的结构分析与设计建模理论和数值方法。基于上述认识，本项目将重点针对四个关键科学问题及其先进研究成果的典型工程应用开展研究。科学问题之一：多场耦合下材料与结构强非线性复杂力学行为分析的建模理论和关键算法结构毁伤和破坏是典型的多场作用下的复杂物理力学过程。特别是材料和结构在强冲击载荷作用下的动态响应问题是一个

2、几何、材料和边界条件均为非线性的多场强耦合问题，涉及高速、高压、高温、相变，气体、液体和固体等多种物质间相互耦合甚至混合，材料不但会发生严重变形和破碎，还会融化甚至汽化，基于网格的拉格朗日法难以有效模拟。欧拉法不存在网格畸变问题，但不易处理材料界面，且非线性对流项也会导致数值求解困难。因此，需要吸收拉格朗日法和欧拉法的优点，克服网格畸变影响，提出能够模拟材料破碎、融化和汽化等行为的有效数值方法。由此为计算力学和计算物理等学科领域带来许多新的前沿科学问题，包括：(1)伴随热相变的率相关热塑性流动、断裂与损伤、应变局部化、以及材料形态由连续向非连续介质转化的本构模拟方法；(2) 材料在冲击爆炸载荷作用下的动态本构及破碎、融化和汽化等非线性力学行为的建模理论与高效数值方法；(3) 受到高温高压作用的结构破坏时气体、液体和固体等多物质相互作用的数值模型和求解方法；(4)瞬时高频载荷作用下结构动力响应分析的高精度快速算法等。为此设定以下研究课题：1）强冲击荷载下结构破坏过程的建模与关键算法主要研究内容包括：a）高应变率条件下材料的唯象和介观相结合的动态本构模型；b）结构毁伤和破坏的多物质响应有效

3、数值方法；c）瞬时高频载荷作用下结构动力学分析理论和方法。具体内容：以典型的多物质界面和瞬态强间断问题中的非线性力学行为建模与数值模拟为对象开展研究。发展引入微极体模型研究典型金属材料高应变率条件下的唯象和介观相结合的动态本构模型。发展冲击爆炸载荷作用下结构毁伤和破坏全过程多物质响应分析的理论框架、数值分析方法及并行计算软件。研究多维高波数声波传播和高频振动问题数值模拟的快速算法；研究大型动力学方程组的快速解法。科学问题之二：材料与结构热力耦合非线性多尺度模型及一体化设计中的关键算法材料与结构一体化的热、力耦合多尺度模型与算法研究是力学、数学、物理学与材料科学多学科交叉的前沿领域，也是重大装备研发中需要着重解决的基础科学问题。材料与结构在裂纹、空洞、夹杂、纤维取向、基体分布形态等方面具有内在的不确定性，其损伤和破坏还表现为复杂的热力耦合非线性多尺度力学行为。尺度间隙和跨尺度连接，涉及微-介-宏观不同尺度间数学物理模型的联系与差别等基本问题，建立微/纳米尺度的热、力模型，揭示热、力耦合的物理机制，发展材料与结构一体化的宏-细-微观耦合的多尺度模型与算法，特别是针对高强度钢板温热成形中热、

4、力耦合等问题，提出可靠的时-空多尺度模型与算法，具有重要理论与实际意义。其中，必须解决的关键科学问题有：(1)考虑材料不确定性和非线性的多尺度模型与算法；(2)尺度间隙与跨尺度连接中的关键科学问题；(3)热、力时-空多尺度耦合模型与算法。解决上述问题的科学意义和本质困难主要体现在两个方面：其一是现行的分子动力学模拟、细观力学模型和均匀化方法大都基于周期性（或周期性逼近）和确定性假设，尚缺乏考虑不确定性的多尺度模型和快速实用的算法；其二是发展热、力耦合的非线性多尺度模型与算法比研究相应的线性问题要困难得多，同时尺度间隙和跨尺度连接涉及微/细/宏观不同尺度间数学物理模型的联系与差别等基本问题，是提出可靠的宏/细/微观关联模式的前提和难点。为此设定以下研究课题：1）材料与结构一体化的热力耦合多尺度模型与算法主要研究内容包括：a）热、力时-空多尺度耦合模型与算法；b）考虑不确定性和非线性的多尺度模型与算法；c）尺度间隙与跨尺度连接中的关键科学问题。具体内容：考虑不确定性，发展材料与结构热力耦合力学行为的多尺度统计模型与算法，研究材料微结构演化与宏观物性的本质关联，揭示材料与结构微/细观、宏/细

5、观热力耦合机理；发展材料非线性的传递模型与算法，研究尺度间隙和尺度不变性等基础科学问题。针对典型的复合材料与结构发展跨尺度连接模型与时空多尺度算法，针对高强度钢板等典型材料与结构的热力耦合行为，将数值模拟和物理实验结合建立和发展非线性多尺度本构模型、计算方法和计算软件，提出非线性多尺度损伤、破坏模型和强度判据。科学问题之三：考虑不确定性和多功能的结构与多学科优化方法高技术装备与特种装备的制造加工、日常服役和异常事故过程中，服役环境、材料性能、制造装配误差等不确定性的影响以及机械荷载与热、电、磁、声等多场耦合效应的重要性日益凸显，其结构设计也相应对极端环境与荷载作用下的刚度、强度、振动、可靠性等力学及多学科性能提出更高要求。需要结合各类不确定性的建模理论，发展考虑不确定性和多学科性能的结构优化与工程反问题的数学模型与高效数值方法。其中的前沿性科学问题包括：(1)多场耦合下考虑不确定性度量与传播的结构优化理论和方法；(2)高维工程问题中满足不同保真度要求的代理模型和空间映射的构造方法；(3)基于特定数学力学特征的大规模复杂结构优化问题和参数识别反问题的建模与高效算法。在多种不同特征的不确定

6、性共存的条件下，提出结构多学科耦合性能优化和反问题的完备理论模型和可行的数值方法，是解决这些问题的关键和难点。解决上述科学问题，将丰富和发展考虑不确定性和多场耦合的优化和反问题的理论与方法。为此设定以下研究课题：1）考虑多场耦合与不确定性的结构优化设计和反问题方法主要研究内容包括：a）不确定性结构优化中多源不确定性的建模理论与不确定性传播算法；b）考虑不确定性和多场耦合的结构优化设计理论与方法；c）结构与多学科优化中代理模型和空间映射的构造方法；d）考虑不确定性的非线性工程反问题建模及正则化方法。具体内容：针对复杂结构系统随时空演变的不同特征的大范围变异和多源不确定性，研究不确定性结构优化中多源不确定性的建模理论与不确定性传播算法；研究多层嵌套优化的解耦理论和基于近似模型技术的不确定性结构优化算法，建立设计空间及不确定域的更新机制和高维近似模型精度的评价准则。研究高效代理模型技术及空间映射方法在大规模复杂结构优化和工程反问题中实施的关键技术，提出不确定性的非线性工程反问题建模及正则化方法。科学问题之四：新一代集成化计算力学软件平台的体系结构与设计模式计算力学软件是装备产品设计数字化工具

7、的重要组成部分，是先进力学和多场耦合分析的理论和方法与工程应用间的桥梁。计算力学软件的研发曾经引领软件工程的理论和技术发展，但随后其发展方向更注重算法与功能实现。目前软件设计理论和技术已得到了长足发展，提出了面向对象/构件/服务及软件体系结构和设计模式等的理论和方法，计算力学软件平台的设计与实现应充分结合现代软件技术，发展新一代计算力学软件的设计理论。计算力学软件平台是包括大量多类型数据、通用数值算法、复杂计算任务管理，以及多核/分布/并行计算技术的软件系统，需发展相关的软件体系结构理论。计算力学软件平台的研究中涉及大量相似的软件设计问题，需寻求这些问题的统一解决方案和软件实现途径。关键科学问题是：(1)面向计算力学软件平台的工程数据库和算法库系统的设计理论与方法；(2)新一代计算力学软件平台中数值计算系统、集成计算环境的软件体系结构和设计模式。其中，发展满足开放性、可扩展性的计算力学软件体系结构的设计理论和方法、提出实现集成化的计算力学软件设计标准和规范、建立面向多尺度-多场耦合的集成计算环境是具有挑战性的问题。为此设定以下研究课题：1）新一代集成化计算力学软件平台设计理论和方法主要

8、研究内容包括：a）计算力学软件平台的支撑技术；b）结构-多场耦合与多尺度有限元分析软件设计理论；c）集成化计算力学软件平台设计方法。具体内容：研究计算力学软件平台所涉及的数据模型及管理系统的关键技术和实施方案、通用高性能数值算法库系统设计方法、框架设计方案以及算法类泛型编程技术和相关的设计模式，发展算法模块集成技术。针对多物理耦合场和多尺度计算，研究相应的有限元分析软件设计方案，提出耦合场问题多类变量整体方程的通用求解技术和发展多尺度计算方法的软件实施技术。发展开放式的数值模拟软件设计方法和实现技术，研究软件平台基于“微核心+插件”模式的体系结构以及建立面向已有软件系统或可执行程序的集成计算环境并对数值计算的工作流可视化验证技术。典型应用研究：基础研究成果与特色对象建模和分析手段的结合针对基于以上四个科学问题研究成果的工程应用研究，分别以典型的先进民用装备和国防特种装备为研究对象，对车辆轻量化制造所涉及的结构件高强度板热成形理论和仿真方法、轻量化设计所涉及的碰撞安全性的不确定性优化问题、高应变率下含能材料结构和防护结构的毁伤分析等关键技术难题进行研究，在解决重大工程问题的同时为这些基础

9、性研究成果提供效果验证。为此设定以下研究课题：1）车身钢板轻量化与碰撞安全性的数字化设计主要研究内容包括：a）高强度钢板热成形理论和仿真方法；b）车辆碰撞安全性设计的不确定性优化。具体内容：研究汽车车身覆盖件和结构件温热成形工艺的微观相变特性及多场耦合本构理论、热-力-相变相关及热边界接触非线性大变形有限元计算方法。发展车辆碰撞安全性的高效不确定性优化算法以及基于统计理论或非概率凸集理论的碰撞安全性响应分析，为车辆轻量化提供理论基础。2）特种装备结构的毁伤与服役过程安全性的数值仿真主要研究内容包括：a）含能材料结构在高空跌落环境中的安全性分析方法；b）爆炸冲击载荷作用下特种装备结构的毁伤效应分析；c）爆炸载荷作用下目标结构的防护分析。具体内容：针对一种典型的含能材料结构-多层组合缓冲吸能结构，深入研究颗粒、纤维、泡沫材料的宏细观物理建模以及含能材料结构的冲击安全性等问题。研究大型水面舰艇、地下深层工事等特种装备结构在爆炸冲击载荷作用下的毁伤机理，建立毁伤的计算力学模型，研究多物质界面相互作用机理及高效数值算法。发展非接触水下爆炸流体载荷和目标结构相互作用的力学模型，研究目标结构的毁伤机理，建立目标整体毁伤的计算力学模型。二、预期目标1 本项目的总体目标 本项目以解决重大装备产品数字化设计与制造的力学和多场耦合分析与设计中的关键科学问题为目标，瞄准基本理论、先进数值方法和软件平台研究等方面的国际前沿，开展创新性研究，推动我国计算力学及其软件平台基础性研究工作的开展，初步形成自主知识产权的新一代大规模计算力学软件平台，为复杂装备数字化设计提供关键技术支撑。同时，项目将培养高水平计算力学人才，促进相关学科的长远发展。2 五年预期目标 1）在理论、方法与应用方面（1）对传统理论体系与计算模型进行改造，在处理强冲击载荷下材料与结构大变形、移动界面和强间断问题的求解算法研究方面取得突破。形成冲击爆炸载荷作用下结构毁伤和破坏全过程数值仿真的并行计算软件平台，计算规模达到1.5亿自由度。（2）在材料与结构热、力耦合行为的非线性多尺度本构模型，尺度间隙及跨尺度连接模型与算法研究

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