复合材料构件设计理论及仿真研究进展_陶然.pdf

DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.07.008中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期复合材料构件设计理论及仿真研究进展陶然 1，贺春旺 1，罗俊荣 1，毛贻齐 2，马连华 3（1.北京理工大学先进结构技术研究院，北京 100081；2.湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082；3.河北大学建筑工程学院，河北保定 071002）摘要：复合材料构件设计及仿真是复合材料性能与应用研究的重要组成部分，在复合材料产业国际竞争中发挥着关键作用；我国在此领域的系统性研究起步较晚，理论水平滞后、自主标准受制、仿真软件基础薄弱、设计与制造分离等诸多风险共存，相比支撑复合材料构件在重要装备上大规模、高水平应用的长远目标差距明显。本文针对复合材料构件在重要装备应用方面的难题与挑战，剖析了复合材料构件设计理论及仿真的共性需求，梳理了国内外发展现状与主要趋势，提出了我国复合材料构件设计理论及仿真的重点方向：极端和多场环境下复合材料构件的设计理论、复合材料构件动力学分析与设计理论、数据驱动的复合材料构件仿真方法、复合材料构件强度与寿命仿真评价方法。为此建议，开展面向装备工程应用的复合材料构件多场多尺度设计技术、动载荷下的复合材料构件性能设计技术、数据驱动的复合材料构件设计与仿真技术、复合材料构件强度与寿命仿真软件平台等研究，全面提升我国复合材料构件的设计及工程应用水平。关键词：复合材料构件；多场多尺度设计；动力学设计；数据驱动；强度与寿命评价中图分类号：TB332 文献标识码：AResearch Progress of Design Theory and Simulation of Composite ComponentsTao Ran 1,He Chunwang 1,Luo Junrong 1,Mao Yiqi 2,Ma Lianhua 3(1.Institute of Advanced Structure Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;3.College of Civil Engineering and Architecture,Hebei University,Baoding 071002,Hebei,China)Abstract:The design and simulation methods of composite components are vital to the performance and application research of composite materials.Research pertaining to composite component design and simulation systems begins late in China and confronts many risks，including inadequate theoretical levels，lack of independent standards，weak foundation of simulation software，and segregation between design and manufacture.Therefore，the large-scale application of composite components in major equipment can hardly be realized.Considering the problems and challenges，this study analyzes the macro demand for composite component design theory and simulation technique，summarizes the development status and main trends in China and abroad，and proposes the key directions in China：design theory of composite components under extreme and multi-field environment，dynamic analysis and design theory of composite components，data-driven simulation method of composite components，and simulation evaluation method of strength and life of composite components.We suggest that research should be conducted on multi-field and multi-scale design 收稿日期：2022-03-14；修回日期：2022-10-09通讯作者：陶然，北京理工大学先进结构技术研究院副教授，研究方向为轻量化多功能复合材料结构设计制备与评价；E-mail:资助项目：中国工程院咨询项目“面向2035的复合材料构件精确制造发展战略研究”(2021-XZ-26)本刊网址： of composite components for equipment engineering applications，performance design technology of composite components under dynamic load，data-driven design and simulation technology of composite components，and strength and lifespan simulation software platform of composite components，thereby comprehensively improving the design and engineering application level of composite components in China.Keywords:composite material components;multi-field and multi-scale design;dynamic design;data-driven simulation;evaluation of strength and lifespan一、前言航空、航天、航海等领域的重大装备发展迅速，服役环境更为恶劣，这对复合材料构件的性能与功能提出了严峻挑战。满足超轻量化、超高承载、极端耐热、高可靠性等指标，实现隐身、透波、抗爆、防火、减隔振等多种功能集成，需要在复合材料构件设计理论及仿真方法层面取得突破，相关内容成为国内外复合材料研究的关注重点。例如，美国空军实验室、剑桥大学等，建立了多功能复合材料构件优化设计与仿真方法、多参数多目标协同优化算法，设计了集承载、防热、隐身特性于一体的新型高性能复合材料构件，实现了高超声速飞行器、新型舰船等装备应用；我国的高校和科研院所在复合材料多尺度/多场耦合优化设计理论、数据驱动优化方法等方面也取得了良好进展。值得指出的是，发掘复合材料构件的性能与功能潜力，突破现有设计与应用极限，依然是主要趋势；国内研究机构因起步晚、起点低，在复合材料构件设计理论与仿真方面相比国际先进水平仍存在不小差距。相关差距体现在四方面：复合材料构件多场多尺度设计理论与优化能力未能完全建成，装备构件的轻量化、多功能集成水平受限；有关复合材料构件动力学设计的理论认识不清，导致复杂构件真实服役预测难，性能与设计偏差大；复合材料构件的数据驱动仿真方法依然缺乏，从材料多尺度模拟到结构多尺度模拟均有待实现，制约了大型复合材料结构的性能设计及预测；复合材料构件强度与寿命仿真评价方法基础薄弱，真实与虚拟实验结合的构件性能与功能评价方法尚属空白。目前，我国在复合材料构件设计理论及仿真的研究现状梳理不清，未来重点发展方向未有系统性探讨。本文立足复合材料构件应用快速增长的工程实践，从背景与需求、现状与趋势、重点发展方向等方面系统梳理复合材料构件设计理论与仿真研究进展，突出多场多尺度、动力学、数据驱动、强度与寿命等设计理论及仿真重点，据此提出未来研究建议，以期为复合材料构件的研究布局、研制应用等提供参考与启示。二、复合材料构件设计的背景与需求（一）复合材料构件的多场多尺度设计理论先进装备对复合材料构件服役环境提出了严苛要求1，如在高温氧化、化学腐蚀、电磁辐射等极端和复杂环境下，复合材料构件会出现强烈的多物理场耦合行为，其变形、损伤、破坏是多种机理相互影响与耦合作用的结果。在航空、航天、深空、深海、医工交叉等领域，很多复合材料构件服役于复杂的多场环境中，涉及力学、化学、光学、电磁等多物理场的耦合作用。例如，高温环境下的复合材料构件涉及力学与化学（如氧化、腐蚀、烧蚀等）耦合，不仅存在溶质组分的扩散、聚集等物理过程，还伴随着氧化反应等化学过程，表现出非平衡、非稳态、多介质、强非线性、强耦合的复杂特征。对于多场环境下服役的复合材料构件，单纯以力学量（应力、应变、变形能等）为基础的传统设计理论及失效准则不再适用，亟需发展多场耦合的新型设计理论和仿真评估体系。复合材料构件在细观尺度单元中包含大量的纤维，若采用考虑基体、纤维所有微观特征的设计及计算方法，对大尺度复合材料而言计算成本是难以负担的。为了同时刻画复合材料构件宏观与细观尺度的多场耦合变形、损伤、破坏等行为，可行的方式是采用多尺度方法，即分别在宏观、细观尺度上开展多场耦合设计及计算，同时建立多尺度之间的联系，相关方法在复合材料热 力耦合，磁 电 力耦合等方面获得初步应用2。多场耦合环境下复合材料构件的变形分析方法、损伤失效机理、服役安全及耐久性多尺度设计，是重大装备发展过程中亟待解决的关键科学问题3。因此，发展多物理场耦合条件下复合材料 结构一体化多尺度设计理论122中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期体系，是重要且具有挑战性的科学任务。（二）复合材料构件动力学设计理论及仿真方法爆炸、冲击、振动等动态服役环境，对复合材料构件动力学设计理论与仿真方法提出了严峻挑战4。基于现有的纤维树脂基复合材料体系，从材料固有属性出发，突破材料结构一体化设计极限，发展真正面向实际动态服役工况，具备抗爆、抗冲击、减隔振性能的复合材料构件动力学设计与仿真体系，是高性能复合材料构件在未来装备上的应用趋势。复合材料研究与应用强国在复合材料结构抗冲击、抗爆炸性能方面已有数十年的基础和经验，建立了比较系统的复合材料构件动力学设计与仿真体系；在此基础上拓展形成了完整的复合材料抗爆、抗冲击、减隔振动力学设计及仿真标准。相比之下，国内存在的差距表现在：有关复合材料构件结构在动态载荷下的损伤演化规律认识不清，无法准确预报结构性能；针对复合材料构件结构抗爆、抗冲击、减隔振等动态响应的设计理论与仿真平台缺乏，无法充分发挥复合材料构件在动态载荷下应有的性能与特征优势。因此，发展复合材料构件动力学设计理论及仿真方法是需求迫切且具挑战性的科学任务。（三）复合材料构件的数据驱动仿真方法先进装备对高性能复合材料构件的需求快速增长，但现有设计与仿真方法难以实现显著缩短以下方面的时间周期：复合材料构件设计研发、大型复合材料构件大批量虚拟实验、复合材料构件多尺度力学行为表征。在基于经典范式的单机串行求解体系下，复合材料构件的大规模复杂力学行为计算仿真效率提升空间已逼近极限。随着数据科学领域中人工智能（AI）