復(fù)雜裝備研發(fā)數(shù)字化工具中的計算力學(xué)和多場耦合若干前沿問題

1、項目名稱：復(fù)雜裝備研發(fā)數(shù)字化工具中的計算力學(xué)和多場耦合若干前沿問題首席科學(xué)家：張洪武 大連理工大學(xué)起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門：教育部 遼寧省科技廳一、研究內(nèi)容重大工業(yè)裝備和現(xiàn)代化特種軍工裝備的設(shè)計和制造越來越趨向于集成化和多功能化，很多尖端高技術(shù)裝備也往往在多場耦合和極端條件等復(fù)雜和苛刻的環(huán)境下運行。為了提高這些裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字化設(shè)計工具的力學(xué)與多場耦合分析水平，需要我們研究和解決極端環(huán)境和多場耦合下復(fù)雜結(jié)構(gòu)服役行為的力學(xué)建模與數(shù)值模擬、極端瞬態(tài)條件下結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)或多物質(zhì)波的精確數(shù)值求解、材料與結(jié)構(gòu)多時空尺度性能演變機理和數(shù)值分析、考慮多場耦合及不確定性的材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)

2、化設(shè)計等具有共性的科學(xué)問題，而計算力學(xué)傳統(tǒng)的理論和算法難以有效地對這些問題進行處理，必須發(fā)展新的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計建模理論和數(shù)值方法。基于上述認識，本項目將重點針對四個關(guān)鍵科學(xué)問題及其先進研究成果的典型工程應(yīng)用開展研究?？茖W(xué)問題之一：多場耦合下材料與結(jié)構(gòu)強非線性復(fù)雜力學(xué)行為分析的建模理論和關(guān)鍵算法結(jié)構(gòu)毀傷和破壞是典型的多場作用下的復(fù)雜物理力學(xué)過程。特別是材料和結(jié)構(gòu)在強沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)問題是一個幾何、材料和邊界條件均為非線性的多場強耦合問題，涉及高速、高壓、高溫、相變，氣體、液體和固體等多種物質(zhì)間相互耦合甚至混合，材料不但會發(fā)生嚴重變形和破碎，還會融化甚至汽化，基于網(wǎng)格的拉格朗日法難以有效模

3、擬。歐拉法不存在網(wǎng)格畸變問題，但不易處理材料界面，且非線性對流項也會導(dǎo)致數(shù)值求解困難。因此，需要吸收拉格朗日法和歐拉法的優(yōu)點，克服網(wǎng)格畸變影響，提出能夠模擬材料破碎、融化和汽化等行為的有效數(shù)值方法。由此為計算力學(xué)和計算物理等學(xué)科領(lǐng)域帶來許多新的前沿科學(xué)問題，包括：(1)伴隨熱相變的率相關(guān)熱塑性流動、斷裂與損傷、應(yīng)變局部化、以及材料形態(tài)由連續(xù)向非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化的本構(gòu)模擬方法；(2) 材料在沖擊爆炸載荷作用下的動態(tài)本構(gòu)及破碎、融化和汽化等非線性力學(xué)行為的建模理論與高效數(shù)值方法；(3) 受到高溫高壓作用的結(jié)構(gòu)破壞時氣體、液體和固體等多物質(zhì)相互作用的數(shù)值模型和求解方法；(4)瞬時高頻載荷作用下結(jié)構(gòu)動力響

4、應(yīng)分析的高精度快速算法等。為此設(shè)定以下研究課題：1）強沖擊荷載下結(jié)構(gòu)破壞過程的建模與關(guān)鍵算法主要研究內(nèi)容包括：a）高應(yīng)變率條件下材料的唯象和介觀相結(jié)合的動態(tài)本構(gòu)模型；b）結(jié)構(gòu)毀傷和破壞的多物質(zhì)響應(yīng)有效數(shù)值方法；c）瞬時高頻載荷作用下結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析理論和方法。具體內(nèi)容：以典型的多物質(zhì)界面和瞬態(tài)強間斷問題中的非線性力學(xué)行為建模與數(shù)值模擬為對象開展研究。發(fā)展引入微極體模型研究典型金屬材料高應(yīng)變率條件下的唯象和介觀相結(jié)合的動態(tài)本構(gòu)模型。發(fā)展沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過程多物質(zhì)響應(yīng)分析的理論框架、數(shù)值分析方法及并行計算軟件。研究多維高波數(shù)聲波傳播和高頻振動問題數(shù)值模擬的快速算法；研究大型動力學(xué)方

5、程組的快速解法?？茖W(xué)問題之二：材料與結(jié)構(gòu)熱力耦合非線性多尺度模型及一體化設(shè)計中的關(guān)鍵算法材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱、力耦合多尺度模型與算法研究是力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)與材料科學(xué)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，也是重大裝備研發(fā)中需要著重解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題。材料與結(jié)構(gòu)在裂紋、空洞、夾雜、纖維取向、基體分布形態(tài)等方面具有內(nèi)在的不確定性，其損傷和破壞還表現(xiàn)為復(fù)雜的熱力耦合非線性多尺度力學(xué)行為。尺度間隙和跨尺度連接，涉及微-介-宏觀不同尺度間數(shù)學(xué)物理模型的聯(lián)系與差別等基本問題，建立微/納米尺度的熱、力模型，揭示熱、力耦合的物理機制，發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)一體化的宏-細-微觀耦合的多尺度模型與算法，特別是針對高強度鋼板溫?zé)岢尚沃袩帷?/p>

6、力耦合等問題，提出可靠的時-空多尺度模型與算法，具有重要理論與實際意義。其中，必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問題有：(1)考慮材料不確定性和非線性的多尺度模型與算法；(2)尺度間隙與跨尺度連接中的關(guān)鍵科學(xué)問題；(3)熱、力時-空多尺度耦合模型與算法。解決上述問題的科學(xué)意義和本質(zhì)困難主要體現(xiàn)在兩個方面：其一是現(xiàn)行的分子動力學(xué)模擬、細觀力學(xué)模型和均勻化方法大都基于周期性（或周期性逼近）和確定性假設(shè)，尚缺乏考慮不確定性的多尺度模型和快速實用的算法；其二是發(fā)展熱、力耦合的非線性多尺度模型與算法比研究相應(yīng)的線性問題要困難得多，同時尺度間隙和跨尺度連接涉及微/細/宏觀不同尺度間數(shù)學(xué)物理模型的聯(lián)系與差別等基本問題，是提

7、出可靠的宏/細/微觀關(guān)聯(lián)模式的前提和難點。為此設(shè)定以下研究課題：1）材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱力耦合多尺度模型與算法主要研究內(nèi)容包括：a）熱、力時-空多尺度耦合模型與算法；b）考慮不確定性和非線性的多尺度模型與算法；c）尺度間隙與跨尺度連接中的關(guān)鍵科學(xué)問題。具體內(nèi)容：考慮不確定性，發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)熱力耦合力學(xué)行為的多尺度統(tǒng)計模型與算法，研究材料微結(jié)構(gòu)演化與宏觀物性的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，揭示材料與結(jié)構(gòu)微/細觀、宏/細觀熱力耦合機理；發(fā)展材料非線性的傳遞模型與算法，研究尺度間隙和尺度不變性等基礎(chǔ)科學(xué)問題。針對典型的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展跨尺度連接模型與時空多尺度算法，針對高強度鋼板等典型材料與結(jié)構(gòu)的熱力耦合行為，將數(shù)值

8、模擬和物理實驗結(jié)合建立和發(fā)展非線性多尺度本構(gòu)模型、計算方法和計算軟件，提出非線性多尺度損傷、破壞模型和強度判據(jù)?？茖W(xué)問題之三：考慮不確定性和多功能的結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化方法高技術(shù)裝備與特種裝備的制造加工、日常服役和異常事故過程中，服役環(huán)境、材料性能、制造裝配誤差等不確定性的影響以及機械荷載與熱、電、磁、聲等多場耦合效應(yīng)的重要性日益凸顯，其結(jié)構(gòu)設(shè)計也相應(yīng)對極端環(huán)境與荷載作用下的剛度、強度、振動、可靠性等力學(xué)及多學(xué)科性能提出更高要求。需要結(jié)合各類不確定性的建模理論，發(fā)展考慮不確定性和多學(xué)科性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工程反問題的數(shù)學(xué)模型與高效數(shù)值方法。其中的前沿性科學(xué)問題包括：(1)多場耦合下考慮不確定性度量與傳

9、播的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和方法；(2)高維工程問題中滿足不同保真度要求的代理模型和空間映射的構(gòu)造方法；(3)基于特定數(shù)學(xué)力學(xué)特征的大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題和參數(shù)識別反問題的建模與高效算法。在多種不同特征的不確定性共存的條件下，提出結(jié)構(gòu)多學(xué)科耦合性能優(yōu)化和反問題的完備理論模型和可行的數(shù)值方法，是解決這些問題的關(guān)鍵和難點。解決上述科學(xué)問題，將豐富和發(fā)展考慮不確定性和多場耦合的優(yōu)化和反問題的理論與方法。為此設(shè)定以下研究課題：1）考慮多場耦合與不確定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和反問題方法主要研究內(nèi)容包括：a）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論與不確定性傳播算法；b）考慮不確定性和多場耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法；c

10、）結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化中代理模型和空間映射的構(gòu)造方法；d）考慮不確定性的非線性工程反問題建模及正則化方法。具體內(nèi)容：針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨時空演變的不同特征的大范圍變異和多源不確定性，研究不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論與不確定性傳播算法；研究多層嵌套優(yōu)化的解耦理論和基于近似模型技術(shù)的不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，建立設(shè)計空間及不確定域的更新機制和高維近似模型精度的評價準則。研究高效代理模型技術(shù)及空間映射方法在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程反問題中實施的關(guān)鍵技術(shù)，提出不確定性的非線性工程反問題建模及正則化方法?？茖W(xué)問題之四：新一代集成化計算力學(xué)軟件平臺的體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計模式計算力學(xué)軟件是裝備產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字化工具

11、的重要組成部分，是先進力學(xué)和多場耦合分析的理論和方法與工程應(yīng)用間的橋梁。計算力學(xué)軟件的研發(fā)曾經(jīng)引領(lǐng)軟件工程的理論和技術(shù)發(fā)展，但隨后其發(fā)展方向更注重算法與功能實現(xiàn)。目前軟件設(shè)計理論和技術(shù)已得到了長足發(fā)展，提出了面向?qū)ο?構(gòu)件/服務(wù)及軟件體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計模式等的理論和方法，計算力學(xué)軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)充分結(jié)合現(xiàn)代軟件技術(shù)，發(fā)展新一代計算力學(xué)軟件的設(shè)計理論。計算力學(xué)軟件平臺是包括大量多類型數(shù)據(jù)、通用數(shù)值算法、復(fù)雜計算任務(wù)管理，以及多核/分布/并行計算技術(shù)的軟件系統(tǒng)，需發(fā)展相關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)理論。計算力學(xué)軟件平臺的研究中涉及大量相似的軟件設(shè)計問題，需尋求這些問題的統(tǒng)一解決方案和軟件實現(xiàn)途徑。關(guān)鍵科學(xué)問

12、題是：(1)面向計算力學(xué)軟件平臺的工程數(shù)據(jù)庫和算法庫系統(tǒng)的設(shè)計理論與方法；(2)新一代計算力學(xué)軟件平臺中數(shù)值計算系統(tǒng)、集成計算環(huán)境的軟件體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計模式。其中，發(fā)展?jié)M足開放性、可擴展性的計算力學(xué)軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論和方法、提出實現(xiàn)集成化的計算力學(xué)軟件設(shè)計標準和規(guī)范、建立面向多尺度-多場耦合的集成計算環(huán)境是具有挑戰(zhàn)性的問題。為此設(shè)定以下研究課題：1）新一代集成化計算力學(xué)軟件平臺設(shè)計理論和方法主要研究內(nèi)容包括：a）計算力學(xué)軟件平臺的支撐技術(shù)；b）結(jié)構(gòu)-多場耦合與多尺度有限元分析軟件設(shè)計理論；c）集成化計算力學(xué)軟件平臺設(shè)計方法。具體內(nèi)容：研究計算力學(xué)軟件平臺所涉及的數(shù)據(jù)模型及管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和

13、實施方案、通用高性能數(shù)值算法庫系統(tǒng)設(shè)計方法、框架設(shè)計方案以及算法類泛型編程技術(shù)和相關(guān)的設(shè)計模式，發(fā)展算法模塊集成技術(shù)。針對多物理耦合場和多尺度計算，研究相應(yīng)的有限元分析軟件設(shè)計方案，提出耦合場問題多類變量整體方程的通用求解技術(shù)和發(fā)展多尺度計算方法的軟件實施技術(shù)。發(fā)展開放式的數(shù)值模擬軟件設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)，研究軟件平臺基于“微核心+插件”模式的體系結(jié)構(gòu)以及建立面向已有軟件系統(tǒng)或可執(zhí)行程序的集成計算環(huán)境并對數(shù)值計算的工作流可視化驗證技術(shù)。典型應(yīng)用研究：基礎(chǔ)研究成果與特色對象建模和分析手段的結(jié)合針對基于以上四個科學(xué)問題研究成果的工程應(yīng)用研究，分別以典型的先進民用裝備和國防特種裝備為研究對象，對車輛輕

14、量化制造所涉及的結(jié)構(gòu)件高強度板熱成形理論和仿真方法、輕量化設(shè)計所涉及的碰撞安全性的不確定性優(yōu)化問題、高應(yīng)變率下含能材料結(jié)構(gòu)和防護結(jié)構(gòu)的毀傷分析等關(guān)鍵技術(shù)難題進行研究，在解決重大工程問題的同時為這些基礎(chǔ)性研究成果提供效果驗證。為此設(shè)定以下研究課題：1）車身鋼板輕量化與碰撞安全性的數(shù)字化設(shè)計主要研究內(nèi)容包括：a）高強度鋼板熱成形理論和仿真方法；b）車輛碰撞安全性設(shè)計的不確定性優(yōu)化。具體內(nèi)容：研究汽車車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件溫?zé)岢尚喂に嚨奈⒂^相變特性及多場耦合本構(gòu)理論、熱-力-相變相關(guān)及熱邊界接觸非線性大變形有限元計算方法。發(fā)展車輛碰撞安全性的高效不確定性優(yōu)化算法以及基于統(tǒng)計理論或非概率凸集理論的碰撞安全

15、性響應(yīng)分析，為車輛輕量化提供理論基礎(chǔ)。2）特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷與服役過程安全性的數(shù)值仿真主要研究內(nèi)容包括：a）含能材料結(jié)構(gòu)在高空跌落環(huán)境中的安全性分析方法；b）爆炸沖擊載荷作用下特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)分析；c）爆炸載荷作用下目標結(jié)構(gòu)的防護分析。具體內(nèi)容：針對一種典型的含能材料結(jié)構(gòu)-多層組合緩沖吸能結(jié)構(gòu)，深入研究顆粒、纖維、泡沫材料的宏細觀物理建模以及含能材料結(jié)構(gòu)的沖擊安全性等問題。研究大型水面艦艇、地下深層工事等特種裝備結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的毀傷機理，建立毀傷的計算力學(xué)模型，研究多物質(zhì)界面相互作用機理及高效數(shù)值算法。發(fā)展非接觸水下爆炸流體載荷和目標結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，研究目標結(jié)構(gòu)的毀傷機

16、理，建立目標整體毀傷的計算力學(xué)模型。二、預(yù)期目標1 本項目的總體目標 本項目以解決重大裝備產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造的力學(xué)和多場耦合分析與設(shè)計中的關(guān)鍵科學(xué)問題為目標，瞄準基本理論、先進數(shù)值方法和軟件平臺研究等方面的國際前沿，開展創(chuàng)新性研究，推動我國計算力學(xué)及其軟件平臺基礎(chǔ)性研究工作的開展，初步形成自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代大規(guī)模計算力學(xué)軟件平臺，為復(fù)雜裝備數(shù)字化設(shè)計提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。同時，項目將培養(yǎng)高水平計算力學(xué)人才，促進相關(guān)學(xué)科的長遠發(fā)展。2 五年預(yù)期目標 1）在理論、方法與應(yīng)用方面（1）對傳統(tǒng)理論體系與計算模型進行改造，在處理強沖擊載荷下材料與結(jié)構(gòu)大變形、移動界面和強間斷問題的求解算法研究方面取得突破

17、。形成沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過程數(shù)值仿真的并行計算軟件平臺，計算規(guī)模達到1.5億自由度。（2）在材料與結(jié)構(gòu)熱、力耦合行為的非線性多尺度本構(gòu)模型，尺度間隙及跨尺度連接模型與算法研究等方面取得實質(zhì)性進展，為材料與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計提供可靠的理論模型與算法。（3）在不確定性度量與傳播理論、不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化與反問題理論和方法以及多場耦合下特定功能材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計問題的建模和算法方面取得國際先進水平的創(chuàng)新成果。（4）在集成化計算力學(xué)軟件平臺的設(shè)計和實現(xiàn)方面，將在自主知識產(chǎn)權(quán)的集成化計算力學(xué)軟件平臺的研制方面取得跨越式發(fā)展，實現(xiàn)上億自由度的結(jié)構(gòu)有限元問題計算，建立多尺度-多場計算力學(xué)集

18、成軟件框架。（5）為我國汽車工業(yè)中安全與節(jié)能汽車設(shè)計制造的數(shù)值模擬提供理論和方法，形成自主研發(fā)的熱成形數(shù)值仿真cae軟件系統(tǒng)，建立汽車碰撞安全性的不確定性優(yōu)化設(shè)計軟件平臺。（6）研發(fā)出通用的爆炸沖擊載荷作用下特種裝備和防護結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)的仿真軟件，軟件總體功能達到國際一流水平，求解規(guī)模達到上億自由度。2）本項目研究工作將發(fā)表一批高水平的論文，其中國際期刊論文150篇，國內(nèi)核心期刊論文150篇，出版專著5部。3）申請發(fā)明專利6項，取得軟件著作權(quán)15項。4）培養(yǎng)一批科研骨干人員，包括培養(yǎng)青年教師20人，博士后10人，博士生50人，碩士生60人。在國內(nèi)培養(yǎng)并穩(wěn)定一支在重大裝備結(jié)構(gòu)分析與數(shù)字化工具研制的

19、計算力學(xué)問題研究方面的專業(yè)化人才隊伍。三、研究方案1 學(xué)術(shù)思路本項目的學(xué)術(shù)思路是面向重大工程與裝備結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新研發(fā)的國家需求，瞄準重大民用與軍工裝備結(jié)構(gòu)精細化分析與設(shè)計問題中的計算力學(xué)共性前沿問題，從宏觀分析、細觀與多尺度分析、優(yōu)化設(shè)計以及集成化計算軟件平臺研制的系統(tǒng)化研究角度凝練出4個關(guān)鍵性基礎(chǔ)科學(xué)問題，設(shè)置6個研究課題，課題之間研究內(nèi)容形成有機整體，在技術(shù)上相互支持，相互促進。本項目將凝聚國內(nèi)計算力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的高水平研究團隊，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題有針對性地開展前沿研究，依托新型工程科學(xué)計算平臺發(fā)展復(fù)雜裝備結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計的完整理論體系和若干有特色的高效數(shù)值算法，支撐面向

20、典型工程應(yīng)用的專業(yè)化軟件系統(tǒng)的研發(fā)，實現(xiàn)項目的總體目標。2 技術(shù)途徑1）在多場作用下復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的模型構(gòu)建方面，將以現(xiàn)代連續(xù)介質(zhì)理論（如微極連續(xù)體理論、非局部本構(gòu)模型）以及動網(wǎng)格生成技術(shù)為基礎(chǔ)進行模型構(gòu)建；以保辛和保結(jié)構(gòu)的精細積分算法為基礎(chǔ)，研究提高極端時間尺度下動力學(xué)響應(yīng)分析效率，并處理變動邊界等問題；以具有效率優(yōu)勢的物質(zhì)點法為基礎(chǔ)，并結(jié)合伴隨熱相變的率相關(guān)熱塑性流動以及材料形態(tài)由連續(xù)向非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化的本構(gòu)模擬方法，發(fā)展高溫高壓沖擊載荷作用下多場耦合的多物質(zhì)響應(yīng)與不同介質(zhì)間的運動分析的有效數(shù)值方法；以新型自然坐標和等參坐標混合插值的高性能有限元模型為基礎(chǔ)，建立精度高、抗網(wǎng)格畸變性能好的新

21、型有限元模型；為提高計算規(guī)模，采用空間區(qū)域分解技術(shù)和多cpu多核集群的openmp-mpi混合并行技術(shù)，建立相應(yīng)的并行計算技術(shù)及程序。2）在材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱、力耦合多尺度模型與算法研究方面，分兩步實施從微觀到細觀再到宏觀，涉及不同層次的物理模型和不同尺度結(jié)構(gòu)表征，即微觀與細觀的耦合、細觀與宏觀的耦合。采用不同模型的粗?；蚱骄椒ǎ鸺夁f推的計算不同細觀和宏觀尺度下的材料參數(shù)；而結(jié)構(gòu)的熱、力行為的多尺度計算則從宏觀平均場方程出發(fā)，沿著從宏觀到細觀再到微觀，利用不同數(shù)學(xué)模型下的多尺度漸近展開技術(shù)，逐級遞推地計算宏觀、細觀乃至微觀尺度下的物理、力學(xué)場的局部漲落。結(jié)合原子級有限元的快速靜力平衡

22、特性和分子動力學(xué)的溫度特性來實現(xiàn)對有限溫度準靜態(tài)載荷下原子系統(tǒng)的模擬，通過將原子級有限元與其它有限元方法結(jié)合來發(fā)展一套能計算機械載荷的多尺度計算方法。在尺度間隙和尺度不變性理論研究上，先分析量子力學(xué)與分子動力學(xué)的尺度間隙，然后作進一步的擴展。重點研究彈性常數(shù)、晶格常數(shù)和介電常數(shù)等物理參數(shù)的尺度不變特性。3）在考慮不確定性和多功能的結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計問題研究中，針對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同物理特征的大范圍變異和多源不確定性，發(fā)展和完善不確定性的建模理論和模型構(gòu)造方法，基于代理模型實現(xiàn)不確定性傳播的高效算法。將凸模型或區(qū)間模型應(yīng)用于不確定但有界參數(shù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和反問題中，通過研究雙層次嵌套優(yōu)化模型的解耦理

23、論和問題的正則化方法，結(jié)合特定問題的數(shù)學(xué)物理特征實現(xiàn)有效數(shù)值求解。4）在新一代集成化計算力學(xué)軟件平臺設(shè)計與研發(fā)中，采用面向?qū)ο?面向構(gòu)件/面向服務(wù)的軟件設(shè)計方法，應(yīng)用軟件設(shè)計模式概念，完成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與核心功能模塊的設(shè)計，解決系統(tǒng)的開放性和可擴展性問題。通過采用軟件插件技術(shù)、腳本語言、xml語言建立系統(tǒng)集成環(huán)境、接口標準與代碼規(guī)范。結(jié)合大規(guī)模數(shù)據(jù)管理技術(shù)，應(yīng)用多線程/分布/并行/網(wǎng)格等先進計算技術(shù)，實現(xiàn)力學(xué)問題的上億自由度結(jié)構(gòu)有限元分析能力?；诂F(xiàn)代計算力學(xué)的發(fā)展，特別是在宏微細觀計算領(lǐng)域所發(fā)展的一系列基礎(chǔ)理論與科學(xué)計算算法為基礎(chǔ)，結(jié)合多重多級子結(jié)構(gòu)技術(shù)及子結(jié)構(gòu)周游樹技術(shù)，實現(xiàn)計算力學(xué)軟件中多

24、尺度、多層次的物理場問題的數(shù)值建模和分析。5）在結(jié)構(gòu)多場耦合強非線性分析、材料結(jié)構(gòu)熱力耦合多尺度分析、多場耦合下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究中所建立的基礎(chǔ)理論與高性能算法將進一步結(jié)合典型對象開展工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在解決重大工程問題的同時檢驗和發(fā)展這些理論與算法成果。本項目結(jié)合國家重大需求，選取車輛設(shè)計制造、特種裝備結(jié)構(gòu)研發(fā)這兩個典型工程背景，分別開展多場耦合及不確定性優(yōu)化在車輛工程中的應(yīng)用研究和特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷與服役過程安全性的數(shù)值仿真研究。其中，將主要解決共性基礎(chǔ)研究成果與特色研究對象建模手段的結(jié)合問題，實現(xiàn)模擬為主、實驗為輔模式下特定裝備對象服役與失效機理和響應(yīng)規(guī)律的認識和描述，為工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技

25、術(shù)支撐。3 創(chuàng)新點與特色本項目的創(chuàng)新性和特色主要體現(xiàn)在以下方面：1）本項目的研究將體現(xiàn)出多學(xué)科交叉和融合，吸納現(xiàn)代力學(xué)（特別是爆炸力學(xué)、斷裂力學(xué)與彈塑性力學(xué)）、數(shù)學(xué)（特別是計算數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)）、凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)和軟件科學(xué)（特別是三維圖形學(xué)與軟件工程）的先進成果，發(fā)展具有一定普適性的先進計算模型與算法。2）考慮多場耦合作用效應(yīng)對傳統(tǒng)計算力學(xué)模型的改造具有重要的創(chuàng)新性?；诂F(xiàn)代連續(xù)介質(zhì)理論的強非線性、強間斷問題等的研究成果將處于國際前沿，爆炸與沖擊問題中流體彈塑性動力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型的建立將考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形和破斷、結(jié)構(gòu)材料在高速率下變形的粘塑性行為，所提出的基于euler型多物質(zhì)界面處理方法和

26、高精度、高分辨率差分格式和自適應(yīng)網(wǎng)格計算方法具有明顯的創(chuàng)新?；陟o力顯式的熱-力-相變多場和多尺度耦合本構(gòu)模型和相應(yīng)的大變形有限元軟件，在國際上處于領(lǐng)先地位；所建立的非接觸水下爆炸cae計算方法和軟件實現(xiàn)，將填補國內(nèi)的空白，打破國外對我國的封鎖。3）材料與結(jié)構(gòu)瞬態(tài)熱力耦合行為的非線性多尺度本構(gòu)模型及算法、考慮不確定性材料與結(jié)構(gòu)熱力耦合行為的多尺度統(tǒng)計模型與算法、一般性的流體結(jié)構(gòu)耦合時間多重尺度方法、基于分子動力學(xué)/有限元跨尺度連接模型的時-空多尺度算法等均是材料與結(jié)構(gòu)一體化的多尺度分析中極具挑戰(zhàn)性的研究課題，也是本項目的創(chuàng)新點和特色。4）針對不確定性結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計問題，基于多源不確定性的新

27、型建模理論開展多場耦合下結(jié)構(gòu)與多學(xué)科功能可靠性優(yōu)化設(shè)計和魯棒性優(yōu)化設(shè)計理論框架與算法的創(chuàng)新研究，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的一個重要前沿課題。開展多場耦合下特定功能材料或結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化方法研究，也具有明顯的創(chuàng)新性。5）在大型計算力學(xué)軟件平臺的研究中，綜合采用面向?qū)ο蟆④浖w系結(jié)構(gòu)、和插件技術(shù)的研究工作還未見報道。在計算力學(xué)數(shù)值算法的實現(xiàn)方面，本項目突破傳統(tǒng)的“算法+數(shù)據(jù)”設(shè)計思想，采用“算法+模式”的設(shè)計方法。所開發(fā)的面向多場耦合分析的多尺度計算力學(xué)軟件平臺與國際現(xiàn)有計算力學(xué)軟件相比將具有明顯的創(chuàng)新性和特色。6）項目的理論與方法研究成果將應(yīng)用于車輛工程和特種裝備兩個典型工程領(lǐng)域，實現(xiàn)復(fù)雜裝備研發(fā)中從“以實

28、驗為主、模擬為輔”的研究模式向“以模擬為主、實驗為必要補充”的研究模式的轉(zhuǎn)變，在同類工程對象的研究中具有一定特色，也符合我國現(xiàn)階段國情。4 可行性分析本項目取得重大突破的可行性因素包括：1) 本項目選題瞄準國家重大需求，尤其是裝備制造業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力的發(fā)展戰(zhàn)略為本項目的研究提供了前所未有的機遇。本項目經(jīng)過長期醞釀、廣泛調(diào)研與充分考慮，制定了詳盡的技術(shù)路線。2) 本項目有組成合理的研究隊伍，擁有“計算力學(xué)與工程科學(xué)計算”國家創(chuàng)新研究群體，研究骨干由國內(nèi)計算固體力學(xué)、新型算法、爆炸力學(xué)、實驗固體力學(xué)、制造工藝力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的高水平人才組成，包括4名國家杰出青年基金獲得者和多名優(yōu)秀中青年學(xué)者。研究

29、團隊在工程與科學(xué)計算領(lǐng)域有國際水平的研究工作，得到國際同行的高度評價。3) 項目承擔單位擁有良好的研究環(huán)境，擁有工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室、科學(xué)與工程計算國家重點實驗室、現(xiàn)代車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室、爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室等研究基地，有一流的計算機軟硬件條件，為項目的完成提供了保障。4) 本項目是在已經(jīng)完成的多個前期重要相關(guān)基礎(chǔ)性科研項目的實施基礎(chǔ)上提出，研究團隊在計算力學(xué)與多場耦合基本理論、算法以及cae軟件方面積累了豐富的研究成果。這些前期項目主要包括：l 計算力學(xué)與工程科學(xué)計算（國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金）l 耦合系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計理論和數(shù)值方法（國家自然科

30、學(xué)基金重點項目）l 多向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)強度理論研究（國家自然科學(xué)基金重點項目）l 超輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計新理論（國家自然科學(xué)基金重點項目）l 多孔多相材料的非線性與失效分析（國家自然科學(xué)基金杰出青年基金）l 多重物理現(xiàn)象的建模與仿真（國家杰出青年科學(xué)基金b類）主要承擔單位依托良好的研究條件和研究基礎(chǔ)，通過對重點研究內(nèi)容開展攻關(guān)研究，本項目將有充分的保障在關(guān)鍵科學(xué)問題上取得突破，實現(xiàn)預(yù)定的研究目標。5 課題設(shè)置項目圍繞重大裝備設(shè)計中的計算力學(xué)共性前沿問題和特色裝備對象應(yīng)用研究中的基礎(chǔ)科學(xué)問題，共設(shè)置6個課題。其中前三個課題主要從宏觀層次分析、微細觀與多尺度分析以及優(yōu)化設(shè)計等三個主要方面研究

31、重大裝備設(shè)計中的計算力學(xué)共性前沿科學(xué)問題；第4課題則針對重大裝備設(shè)計與制造數(shù)字化工具中對力學(xué)與多場耦合計算軟件開發(fā)的需求，進行計算力學(xué)軟件平臺開發(fā)的基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)研究，集成前三個課題的成果，并為項目的第5、6課題典型工程應(yīng)用研究建立基礎(chǔ)軟件平臺；第5、6兩個課題則是將前4個課題的成果在典型民用裝備和國防特種裝備中進行專業(yè)化應(yīng)用研究，并反過來為前四個課題研究提供具有針對性的科學(xué)問題。形成課題研究內(nèi)容間相互依存，共同發(fā)展的態(tài)勢。具體如下：課題1：針對第一個關(guān)鍵科學(xué)問題設(shè)置，研究多場耦合下復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的數(shù)值模擬，解決復(fù)雜環(huán)境下裝備結(jié)構(gòu)的建模和關(guān)鍵算法問題。課題2：針對第二個科學(xué)問題設(shè)置，重點

32、發(fā)展新的多尺度建模理論與方法以揭示材料與結(jié)構(gòu)一體化分析中的多尺度行為規(guī)律與失效機理。課題3：圍繞第三個科學(xué)問題設(shè)置，從不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化和考慮多功能的材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面研究重大裝備優(yōu)化設(shè)計前沿問題，并發(fā)展工程反問題的理論與方法。課題4：研究復(fù)雜數(shù)值模擬科學(xué)計算平臺開發(fā)的相關(guān)理論與前沿支撐技術(shù)，為前3個課題的理論與算法研究成果提供集成平臺，初步構(gòu)建聯(lián)接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的橋梁。課題5和課題6：分別以典型的先進民用裝備和國防特種裝備為研究對象，將前4個課題的基礎(chǔ)研究成果與特色對象的建模和分析手段相結(jié)合，對車輛覆蓋件高強鋼板溫?zé)岢尚沃械亩喑叨葻崃︸詈媳緲?gòu)模型、考慮不確定性的汽車碰撞優(yōu)化設(shè)計、高應(yīng)變率

33、下含能材料結(jié)構(gòu)和防護結(jié)構(gòu)的毀傷分析等關(guān)鍵技術(shù)難題進行研究，在解決重大工程問題的同時為這些基礎(chǔ)性研究成果提供效果驗證。項目中課題設(shè)置思路如圖1所示。圖1 課題設(shè)置思路課題1：強沖擊荷載下結(jié)構(gòu)破壞過程的建模與關(guān)鍵算法預(yù)期目標：建立高應(yīng)變率條件下材料唯象和介觀相結(jié)合的動態(tài)本構(gòu)模型構(gòu)造方法，建立沖擊爆炸載荷作用下多物質(zhì)響應(yīng)分析的統(tǒng)一理論框架和數(shù)值分析方法，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)毀傷和破壞過程的數(shù)值仿真平臺，以模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)在沖擊爆炸載荷作用下的毀傷和破壞行為，為防護工程設(shè)計、國防裝備研發(fā)和公共安全等領(lǐng)域提供技術(shù)支撐平臺。研究內(nèi)容：1）高應(yīng)變率條件下材料的唯象和介觀相結(jié)合的動態(tài)本構(gòu)模型考慮急速剪切作用條件下的材料微

34、轉(zhuǎn)動所引起的慣性行為的影響，結(jié)合試驗結(jié)果引入微極體模型研究典型金屬材料高應(yīng)變率條件下的唯象和介觀相結(jié)合的動態(tài)本構(gòu)模型，以及由于高溫高壓作用對異質(zhì)物體界面本構(gòu)、強間斷發(fā)生時的材料間斷面本構(gòu)的影響。研究微極連續(xù)體理論框架下的單元構(gòu)建、本構(gòu)關(guān)系的有效積分方法；研究對于多相介質(zhì)耦合的分岔行為分析與網(wǎng)格非依賴性的本構(gòu)關(guān)系的算法實施。2）結(jié)構(gòu)毀傷和破壞的多物質(zhì)響應(yīng)有效數(shù)值方法針對沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過程數(shù)值模擬問題，改進拉格朗日有限元法、歐拉有限差分法和粒子類方法，綜合這幾類方法建立沖擊爆炸載荷作用下多物質(zhì)響應(yīng)分析的統(tǒng)一理論框架和數(shù)值分析方法，用多cpu多核集群的openmp-mpi混合并行

35、技術(shù)，建立沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過程數(shù)值仿真的并行計算軟件。3）瞬時高頻載荷作用下結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析理論和方法研究多維高波數(shù)聲波傳播和高頻振動問題數(shù)值模擬的快速算法，發(fā)展對復(fù)雜激勵源問題僅需邊界離散且能生成對稱離散系數(shù)矩陣的高精度、高效率的穩(wěn)定數(shù)值方法，為計算有限域和無限域問題提供統(tǒng)一有效的方法；研究大型動力學(xué)方程組的快速解法。承擔單位：清華大學(xué)、北京大學(xué)課題負責(zé)人：張雄經(jīng)費比例：15.1%課題2：材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱力耦合多尺度模型與算法預(yù)期目標：結(jié)合數(shù)值計算與試驗建立和發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)熱、力耦合的非線性多尺度本構(gòu)模型，在尺度間隙和尺度不變性等關(guān)鍵科學(xué)問題上取得實質(zhì)性突破；提出新的跨尺

36、度連接模型；基于非線性多尺度本構(gòu)模型和跨尺度連接模型，發(fā)展相應(yīng)的高性能并行算法；針對典型的高強度鋼板、復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的熱、力耦合行為，提出從原子尺度到晶粒團簇再到宏觀非均質(zhì)的多尺度模型和算法，發(fā)展相關(guān)軟件，為相關(guān)材料與結(jié)構(gòu)的性能預(yù)測和一體化設(shè)計提供可靠的理論基礎(chǔ)。研究內(nèi)容：1）熱、力時-空多尺度耦合模型與算法基于周期性和隨機性假設(shè)，研究材料微、細結(jié)構(gòu)演化、交互作用，討論由材料微結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)與尺度律，研究微結(jié)構(gòu)演化與宏觀物性的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。揭示材料與結(jié)構(gòu)微/細觀、宏/細觀熱、力耦合機理，提出在服役過程中材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的熱、力耦合時-空多尺度模型與算法。針對高強度鋼板等典型材料與結(jié)構(gòu)的熱、力耦

37、合行為，建立和發(fā)展考慮宏/細觀關(guān)聯(lián)的非線性本構(gòu)模型、多尺度計算方法和軟件。2）考慮不確定性和非線性的多尺度模型與算法考慮裂紋、空洞、夾雜、纖維取向、基體分布形態(tài)等不確定性，發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)熱、力耦合力學(xué)行為的多尺度統(tǒng)計模型與算法。發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)損傷、破壞中材料非線性的傳遞模型與算法，并針對高強度鋼板等典型材料與結(jié)構(gòu)，建立和發(fā)展非線性損傷、破壞模型和多尺度強度判據(jù)。3）尺度間隙與跨尺度連接中的關(guān)鍵科學(xué)問題研究從微觀到宏觀不同尺度下數(shù)學(xué)物理模型的尺度間隙等基本理論問題，重點發(fā)展微/納米尺度下熱、力耦合模型，探討平衡態(tài)和非平衡態(tài)統(tǒng)計熱力學(xué)的尺度效應(yīng)。研究跨尺度連接模型與時空多尺度算法，提出原子級有限元

38、方法應(yīng)用到對原子系統(tǒng)有限溫度下準靜態(tài)模擬，重點解決網(wǎng)格的匹配與過渡區(qū)邊界條件，提出處理時間多尺度的有效方案，實現(xiàn)與原子級有限元在統(tǒng)一框架下進行多尺度有限元計算。并針對典型的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)，提出跨尺度連接模型與時空多尺度算法。承擔單位：中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院、河海大學(xué)課題負責(zé)人：曹禮群經(jīng)費比例：15.1%課題3：考慮多場耦合與不確定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和反問題方法預(yù)期目標：本課題針對重大裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計前沿研究領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化及反問題和考慮多尺度、多場耦合行為的結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化問題開展創(chuàng)新性研究。將基于工程問題中各類不確定性的概率與非概率建模理論，發(fā)展和完善不確定性傳播的高

39、效率算法以及結(jié)構(gòu)可靠性與魯棒性優(yōu)化設(shè)計的理論和方法；提出多場耦合條件下實現(xiàn)特定功能的材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計的拓撲優(yōu)化模型與數(shù)值算法，為高科技工業(yè)裝備和先進結(jié)構(gòu)體系的數(shù)字化設(shè)計提供算法支持。研究內(nèi)容：1）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論與不確定性傳播算法針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨時空演變的不同特征的大范圍變異和多源不確定性，研究不確定性的建模理論和模型參數(shù)的近似構(gòu)造算法與驗證方法。研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)多場耦合響應(yīng)的不確定性傳播的快速計算。在概率模型描述的框架下，重點研究基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)降維模型實現(xiàn)不確定性傳播計算中高維數(shù)值積分等的高效求解。在區(qū)間、凸模型等非概率描述的框架下，研究不確定性參數(shù)最不利組合搜

40、索算法及力學(xué)與多學(xué)科響應(yīng)的界限分析。2）考慮不確定性和多場耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法基于概率與非概率凸集模型發(fā)展不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論與方法。研究多層嵌套優(yōu)化的解耦理論和基于近似模型技術(shù)的不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，建立設(shè)計空間及不確定域的更新機制和高維近似模型精度的評價準則。研究多場耦合下能夠?qū)崿F(xiàn)綜合功能要求的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系構(gòu)型設(shè)計的拓撲優(yōu)化方法。基于特定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題的物理特征和數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)展具有超常規(guī)收斂性的優(yōu)化問題構(gòu)造理論及中大規(guī)模優(yōu)化問題的高效求解算法。3）結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化中代理模型和空間映射的構(gòu)造方法研究高效代理模型技術(shù)及空間映射方法在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程反問題中實施的關(guān)鍵技術(shù)

41、。研究各代理模型在效率、非線性擬合能力、與非線性優(yōu)化算法的嵌套能力等方面的特點，給出適用性判斷標準。通過樣本點信息選擇合適代理模型，發(fā)展結(jié)構(gòu)響應(yīng)近似理論和空間映射的構(gòu)造方法及模型修正技術(shù)。研究適于并行計算的高效結(jié)構(gòu)重分析方法，以及基于逐步加密近似模型技術(shù)和變復(fù)雜度技術(shù)的非線性優(yōu)化方法等。4）考慮不確定性的非線性工程反問題建模及正則化方法考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的不確定參數(shù)的影響，研究有效的多宗量不確定反問題理論和方法，發(fā)展基于概率和非概率凸集模型的不確定性反問題模型，建立相應(yīng)的泛函極值問題。研究高效的大規(guī)模不確定性正問題模型，建立輸入與輸出統(tǒng)計量或凸集之間的映射關(guān)系，研究基于統(tǒng)計理論的反問題模型。研究基

42、于tikhonov泛函的不確定性反問題的正則化技術(shù)。承擔單位：大連理工大學(xué)、湖南大學(xué)課題負責(zé)人：亢戰(zhàn)經(jīng)費比例：15.1%課題4：新一代集成化計算力學(xué)軟件平臺設(shè)計理論和方法預(yù)期目標：建立面向計算力學(xué)軟件平臺及其支撐子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計理論、軟件標準及規(guī)范，發(fā)展計算力學(xué)通用數(shù)值算法及計算任務(wù)管理的設(shè)計模式。實現(xiàn)tb數(shù)量級的計算力學(xué)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，建立多尺度-多場耦合計算力學(xué)集成軟件框架，初步構(gòu)建達上億自由度求解能力的集成化計算力學(xué)軟件平臺。研究內(nèi)容：1）計算力學(xué)軟件平臺的支撐技術(shù)研究計算力學(xué)數(shù)據(jù)模型及管理系統(tǒng)，提出可擴展的數(shù)據(jù)模型設(shè)計方法和標準接口；研究面向大規(guī)模計算的數(shù)據(jù)管理算法和分布式存儲方案；

43、開發(fā)數(shù)據(jù)并發(fā)訪問的管理技術(shù)與算法。建立通用高性能數(shù)值算法庫系統(tǒng)設(shè)計方法；提出開放性通用算法庫系統(tǒng)框架設(shè)計方案；研究算法類泛型編程技術(shù)和相關(guān)的設(shè)計模式；發(fā)展算法模塊集成技術(shù)。2）結(jié)構(gòu)-多場耦合與多尺度有限元分析軟件設(shè)計理論研究適用于多物理耦合場有限元分析軟件設(shè)計方案，重點解決可擴展性問題；提出耦合場問題多類變量整體方程的通用求解技術(shù)，在此基礎(chǔ)上形成新一代有限元分析與優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的基本框架；發(fā)展多尺度計算方法的軟件實施技術(shù)，研究基于多重多級子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的多尺度分析算法實施技術(shù)；研發(fā)從微觀到宏觀跨尺度計算理論與算法的軟件系統(tǒng)實施技術(shù)。3） 集成化計算力學(xué)軟件平臺設(shè)計方法研究開放式的數(shù)值模擬軟件設(shè)計

44、方法和實現(xiàn)技術(shù)，研究軟件平臺基于“微核心+插件”模式的體系結(jié)構(gòu)；提出面向數(shù)值模擬的腳本語言實現(xiàn)方案，建立面向已有軟件系統(tǒng)或可執(zhí)行程序的集成計算環(huán)境；發(fā)展數(shù)據(jù)文件的模版技術(shù)與通用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)；研究數(shù)值計算的工作流可視化驗證技術(shù)，提出基于標準考題(benchmark)的數(shù)值軟件測試系統(tǒng)設(shè)計方法及自動測試技術(shù)。承擔單位：大連理工大學(xué)課題負責(zé)人：張洪武經(jīng)費比例：22.3%課題5：車身鋼板輕量化與碰撞安全性的數(shù)字化設(shè)計預(yù)期目標：發(fā)展溫?zé)岢尚胃邚姸劝宕笞冃伪緲?gòu)模型，獲取基本宏、微觀參數(shù)。構(gòu)建熱成形分析的多場耦合數(shù)值模擬算法。通過溫?zé)岢尚窝芯?，實現(xiàn)提高鋼板屈服應(yīng)力和強度極限的關(guān)鍵技術(shù)。建立碰撞安全性設(shè)計的

45、不確定性優(yōu)化模型，建立車輛碰撞安全性問題的代理模型及高效減基模型，開發(fā)基于代理模型的自適應(yīng)優(yōu)化迭代算法。全面實施溫?zé)岢尚畏抡婧蛯嶒烌炞C。研究內(nèi)容：1）高強度鋼板熱成形理論和仿真方法建立高強度鋼板成形過程多場耦合本構(gòu)關(guān)系。在實驗研究基礎(chǔ)上，研究熱-力-相變耦合大變形熱成形本構(gòu)理論，包括熱成形相變突變過程中熱量變化（潛熱等）、熱力學(xué)材料參數(shù)變化、體積突變、相變塑性、熱應(yīng)力變化分布等熱力學(xué)機理研究。在此基礎(chǔ)上，建立適合于數(shù)值分析的多場耦合、多尺度本構(gòu)關(guān)系。構(gòu)建熱成形分析的多場耦合數(shù)值模擬算法。將熱成形本構(gòu)引入多場耦合有限元數(shù)值模擬方法中，建立能夠考慮板料上、下表面熱接觸和模具變形的動力顯式以及靜力顯

46、式彈塑性大變形有限元算法。通過溫?zé)岢尚窝芯浚瑢崿F(xiàn)提高鋼板屈服應(yīng)力和強度極限的關(guān)鍵技術(shù)。2）車輛碰撞安全性設(shè)計的不確定性優(yōu)化基于車輛碰撞安全性設(shè)計問題的特點和難點，開發(fā)針對性強的高效不確定性優(yōu)化算法，對車輛碰撞安全性能進行魯棒性和可靠性設(shè)計。具體研究內(nèi)容包括：基于碰撞的數(shù)值算法、環(huán)境特性、制造工藝、材料（高強度鋼）等實際情況，尋找合適的不確定變量，并結(jié)合吸能、耐撞性、輕量化等指標尋找合理的設(shè)計變量及建立相應(yīng)的不確定性優(yōu)化模型；基于統(tǒng)計理論或非概率凸集理論，研究碰撞安全性的相應(yīng)等效確定性優(yōu)化模型；針對高維、強非線性、多噪聲的特點，建立車輛碰撞安全性問題的代理模型及高效縮減基模型，開發(fā)基于代理模型的

47、自適應(yīng)迭代算法，提高求解效率。承擔單位：湖南大學(xué)、大連理工大學(xué)課題負責(zé)人：韓旭經(jīng)費比例：15.1%課題6：特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷與服役過程安全性的數(shù)值仿真預(yù)期目標：提出含能材料結(jié)構(gòu)的多尺度力學(xué)建模方法和含能材料結(jié)構(gòu)安全性分析方法。揭示特種裝備結(jié)構(gòu)在爆炸與沖擊載荷作用下的毀傷機理，建立毀傷的計算力學(xué)模型和多物質(zhì)界面相互作用的高效數(shù)值計算方法。給出水下爆炸結(jié)構(gòu)毀傷的機理模型，提出瞬態(tài)的流體結(jié)構(gòu)耦合的計算模型和高效算法。研究內(nèi)容：1）含能材料結(jié)構(gòu)在高空跌落環(huán)境中的安全性分析方法以一種典型的含能材料結(jié)構(gòu)-多層組合緩沖吸能結(jié)構(gòu)為對象，深入研究顆粒、纖維、泡沫材料的宏細觀物理建模以及含能材料結(jié)構(gòu)的沖擊安全性等

48、問題，可為含能材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論支撐，也是特種裝備結(jié)構(gòu)沖擊安全性評估的基礎(chǔ)。內(nèi)容包括：含能材料與木材等動態(tài)本構(gòu)關(guān)系、動態(tài)損傷；含能材料的細觀彌散裂紋力學(xué)行為以及對宏觀力學(xué)性能影響；含能材料熱點形成的規(guī)律；含能材料結(jié)構(gòu)的撞擊變形與破壞的多尺度理論分析；緩沖組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；撞擊條件下含能材料結(jié)構(gòu)的安全性分析方法；含能材料力學(xué)性能與損傷狀態(tài)對裝備結(jié)構(gòu)的沖擊安全性能的影響。2）爆炸沖擊載荷作用下特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)分析研究大型水面艦艇、地下深層工事等特種裝備結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的毀傷機理，建立毀傷的計算力學(xué)模型，研究多物質(zhì)界面相互作用機理及高效數(shù)值算法；開發(fā)多物質(zhì)流體彈塑性計算程序和前后

49、處理程序，實現(xiàn)與已有自主軟件和商業(yè)化軟件的無縫連接，集成研發(fā)出通用的爆炸與毀傷問題仿真設(shè)計軟件，并通過實驗進行驗證與確認。3）爆炸載荷作用下目標結(jié)構(gòu)的防護分析發(fā)展非接觸水下爆炸流體載荷和目標結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，研究目標結(jié)構(gòu)的毀傷機理，建立目標整體毀傷的計算力學(xué)模型；開發(fā)非接觸爆炸結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)和整體毀傷計算方法及軟件；通過模型和實船試驗對計算方法進行驗證。承擔單位：北京理工大學(xué)、中國工程物理研究院課題負責(zé)人：寧建國經(jīng)費比例：17.3%四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標第一年（1）應(yīng)力波在周期結(jié)構(gòu)傳播的理論研究；離散原子系統(tǒng)與連續(xù)介質(zhì)相應(yīng)物理量之間的計算轉(zhuǎn)化方法；考慮微結(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯板在強動載荷作用

50、下的數(shù)值實驗?zāi)Ｐ脱芯浚怀醪介_展材料破碎、融化和汽化行為的數(shù)值分析方法研究；新型自然坐標體系研究；有限輪廓法的四邊形區(qū)域應(yīng)用研究；開展二維動網(wǎng)格的兩重網(wǎng)格方法研究；復(fù)合遞歸多重互易技術(shù)研究。（2）基于周期性和隨機性假設(shè)，研究宏/細觀關(guān)聯(lián)的非線性本構(gòu)模型、發(fā)展多尺度算法和計算程序，并應(yīng)用于高強度鋼板、復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的宏/細觀熱、力耦合行為分析中；探討反常擴散現(xiàn)象的物理機理和多尺度特征，提出描述實際問題的多尺度經(jīng)驗公式。（3）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論；非概率描述下不確定性參數(shù)最不利組合搜索算法及力學(xué)與多學(xué)科響應(yīng)的界限分析；考慮不確定性和多場耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論。（4）提出數(shù)據(jù)管理系

51、統(tǒng)組成及其標準接口，按功能類別提出層次化設(shè)計方法，提出各子系統(tǒng)功能可動態(tài)擴展的接口設(shè)計方案；研究數(shù)據(jù)內(nèi)外存交換過程的信息封裝技術(shù)，研究數(shù)據(jù)統(tǒng)一的動態(tài)生成方法；提出通用算法庫的對象設(shè)計方案，研究算法類泛型編程(generic programming) 技術(shù)，研究算法庫設(shè)計方案，研究相關(guān)的設(shè)計模式；研究大規(guī)模計算的算法類設(shè)計方案，研究大規(guī)模代數(shù)方程(線性代數(shù)方程、矩陣特征值)的通用算法類設(shè)計；研究線性有限元類庫設(shè)計方案，針對有限元概念提出面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)分析，重點研究類庫的可擴展性和可維護性問題；研究其中面向?qū)ο笤O(shè)計模式的應(yīng)用技術(shù)；研究適用于計算力學(xué)軟件的插件管理系統(tǒng)和軟件平臺體系結(jié)構(gòu)，提出插件管理系

52、統(tǒng)設(shè)計方案、運行機制和接口標準；研究集成平臺基于“微核心+插件”思想的體系結(jié)構(gòu)；研發(fā)插件設(shè)計器。（5）對熱沖壓過程中溫度測試實驗系統(tǒng)建立初步模型，并找出需要進一步理論研究及試驗研究的內(nèi)容；熱成形高強鋼的宏微觀熱力相變耦合關(guān)系實驗研究中實驗設(shè)備選擇及確定測試方法，然后對所需的各物理量進行測試、數(shù)據(jù)分析；研究適合汽車碰撞安全性計算和設(shè)計問題的不確定性度量模型，實現(xiàn)多變量、多場耦合環(huán)境下的不確定性建模；研究汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不確定性數(shù)值計算方法，獲得結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的凸集或統(tǒng)計信息；研究適合汽車碰撞安全性不確定優(yōu)化的轉(zhuǎn)換模型，將區(qū)間不確定優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化問題。（6）爆炸沖擊問題的流體彈

53、塑性動力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型的建立以及歐拉方法中多物質(zhì)界面的處理方法及其相互作用機理研究；含能材料的靜、動態(tài)本構(gòu)關(guān)系以及損傷破壞模式研究；水下爆炸載荷的建模、計算方法研究。（1）完成調(diào)研報告，形成詳細的技術(shù)途徑，初步建立部分研究方法和手段。建立應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)的結(jié)點的反射和透射分配理論；建立相場理論框架；建立離散原子系統(tǒng)與連續(xù)介質(zhì)相應(yīng)物理量之間的計算轉(zhuǎn)化方法；建立考慮微結(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯板在強動載荷作用下的數(shù)值實驗?zāi)Ｐ?；初步建立材料破碎、融化和汽化行為的?shù)值分析方法；完善自然坐標理論體系；建立二維兩重網(wǎng)格彈簧-插值聯(lián)合方法；建立復(fù)合遞歸多重互易技術(shù)。（2）提出宏/細觀關(guān)聯(lián)的熱、力耦合的非線性本構(gòu)模型、多尺度

54、算法，編寫相關(guān)的計算程序；發(fā)展多尺度反常擴散模型，提出描述實際問題的多尺度經(jīng)驗公式。（3）提出不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中不同類型參數(shù)或載荷較大范圍變異的不確定性的建模理論；發(fā)展不確定性參數(shù)最不利組合高效搜索算法以及力學(xué)與多學(xué)科響應(yīng)的界限分析方法；發(fā)展考慮不確定性和多場耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論與方法。（4）構(gòu)建數(shù)據(jù)管理的原型系統(tǒng)，確立各層子系統(tǒng)功能及接口設(shè)計方案，提供一個可運行的初步數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；實現(xiàn)面向計算力學(xué)問題的多種數(shù)據(jù)類型的標準數(shù)據(jù)模型設(shè)計方案，實現(xiàn)10種以上數(shù)據(jù)類實現(xiàn)范例并完成數(shù)據(jù)存儲測試；提出3類以上計算力學(xué)典型算法類設(shè)計方案，提出通用算法庫的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)2種以上算法，完成標準考題測試；完成

55、大規(guī)模線性代數(shù)方程組(百萬自由度以上)求解算法類的設(shè)計方案，實現(xiàn)求解算法；實現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力線性問題的有限元分析原型系統(tǒng)，確立功能接口和規(guī)范，具備良好的開放性，可實現(xiàn)功能的動態(tài)擴展；提出軟件平臺的體系結(jié)構(gòu)，建立集成計算平臺的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)插件管理系統(tǒng)，建立插件接口標準，完成插件設(shè)計器，完成10種以上的平臺管理工具。（5）宏微觀測試設(shè)備購置和自制完畢；高溫測試條件下數(shù)據(jù)采集方法驗證完成；針對汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性問題，給出不確定性參數(shù)的分類標準；針對汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性設(shè)計問題，建立多種形式的不確定混合度量模型；基于不同度量模型，構(gòu)造汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性響應(yīng)的不確定性數(shù)值計算方法。（6）建立特種裝備在爆炸與沖

56、擊載荷下毀傷的計算力學(xué)模型和多物質(zhì)界面相互作用的高效數(shù)值計算方法；給出含能材料的靜、動態(tài)本構(gòu)關(guān)系；給出適合水中沖擊波的問題的計算方法，建立汽液兩相介質(zhì)間斷解的高階計算格式。第二年（1）應(yīng)力波在含缺陷周期結(jié)構(gòu)的理論研究；采用原子模擬對于動態(tài)斷裂分岔及拐折規(guī)律進行研究；開展自然坐標和混合插值的拉格朗日有限元模型新方案研究；發(fā)展任意多邊形的有限輪廓法；開展金屬基防護材料的動力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真研究；進一步完善材料破碎、融化和汽化行為的數(shù)值分析方法研究；開展多重網(wǎng)格及動網(wǎng)格變形方法的策略研究；開展彈簧法自適應(yīng)變剛度系數(shù)方法研究；研究無網(wǎng)格法結(jié)點布置技術(shù)；研究矩陣稀疏化技術(shù)、矩陣預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)和代數(shù)方程組快速迭

57、代求解方法。（2）探討熱、力耦合的細/微觀物理機理，發(fā)展細觀與微觀關(guān)聯(lián)的熱、力多尺度模型；提出處理時間多尺度的高效算法；研究熱、力參數(shù)的尺度效應(yīng)和尺度不變性，提出相關(guān)理論模型與計算方法。研究分數(shù)階時間導(dǎo)數(shù)的計算方法；作中期工作總結(jié)，撰寫中期總結(jié)報告。（3）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計多層嵌套優(yōu)化問題解耦策略；復(fù)雜結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)參數(shù)與荷載最不利參數(shù)組合的分析算法；考慮不確定性的結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計的有效算法；多場耦合下的特定功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計算法；多場耦合下能夠?qū)崿F(xiàn)綜合功能要求的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系構(gòu)型設(shè)計的拓撲優(yōu)化方法。（4）提出對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)的磁盤存儲方案，提出跨文件、跨分區(qū)、跨磁盤、跨節(jié)點的文件管理技術(shù)

58、，探討數(shù)據(jù)的快速檢索算法；研究面向大規(guī)模計算的軟件內(nèi)外存管理算法，研究內(nèi)存更新算法、緩存管理算法、大數(shù)據(jù)塊的管理算法；研究非線性代數(shù)方程的算法類設(shè)計方法，提出與非線性數(shù)值模型的接口標準，重點探討通用的非線性方程算法類設(shè)計方案；線性問題的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，研究非線性有限元的面向?qū)ο笤O(shè)計方案，重點研究非線性數(shù)值模型與數(shù)值算法庫的接口設(shè)計；研究耦合場問題面向?qū)ο笥邢拊到y(tǒng)的設(shè)計方案，解決可擴展性問題，研究節(jié)點自由度管理算法，研究耦合場問題總體平衡方程的通用集成算法和求解技術(shù)；研究集成平臺的腳本語言技術(shù)，研發(fā)腳本語言運行管理環(huán)境；研發(fā)可視化任務(wù)定制工具和運行管理系統(tǒng)，集成計算實現(xiàn)。（5）基于實驗結(jié)果建立用于數(shù)值模擬所需的熱力相變多場耦合和宏、微觀結(jié)合的多尺度本構(gòu)模型；基于實驗結(jié)果，建立模具及板料上、下表面接觸的熱傳導(dǎo)溫度模型；針對汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性問題，研究兩種非線性區(qū)間優(yōu)化的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換模型；將傳統(tǒng)的區(qū)間優(yōu)化擴展至可靠性優(yōu)化設(shè)計，建立有效的汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性的區(qū)間可靠性