復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計理論及仿真研究進展

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，這對復(fù)合材料構(gòu)件的性能與功能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。滿足超輕量化、超高承載、極端耐熱、高可靠性等指標，實現(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)計理論及仿真方法層面取得突破，相關(guān)內(nèi)容成為國內(nèi)外復(fù)合材料研究的關(guān)注重點。例如，美國空軍實驗室、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)計與仿真方法、多參數(shù)多目標協(xié)同優(yōu)化算法，設(shè)計了集承載、防熱、隱身特性于一體的新型高性能復(fù)合材料構(gòu)件，實現(xiàn)了高超聲速飛行器、新型艦船等裝備應(yīng)用；我國的高校和科研院所在復(fù)合材料多尺度/多場耦合優(yōu)化設(shè)計理論、數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化方法等方面也取得了良好進展。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)計與應(yīng)用極限，依然是主要趨勢；國內(nèi)研究機構(gòu)因起步晚、起點低，在復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計理論與仿真方面相比國際先進水平仍存在不小差距。相關(guān)差距體現(xiàn)在四方面：①復(fù)合材料構(gòu)件多場多尺度設(shè)計理論與優(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)件動力學(xué)設(shè)計的理論認識不清，導(dǎo)致復(fù)雜構(gòu)件真實服役預(yù)測難，性能與設(shè)計偏差大；③復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真方法依然缺乏，從材料多尺度模擬到結(jié)構(gòu)多尺度模擬均有待實現(xiàn)，制約了大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計及預(yù)測；④復(fù)合材料構(gòu)件強度與壽命仿真評價方法基礎(chǔ)薄弱，真實與虛擬實驗結(jié)合的構(gòu)件性能與功能評價方法尚屬空白。目前，我國在復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計理論及仿真的研究現(xiàn)狀梳理不清，未來重點發(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)用快速增長的工程實踐，從背景與需求、現(xiàn)狀與趨勢、重點發(fā)展方向等方面系統(tǒng)梳理復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計理論與仿真研究進展，突出多場多尺度、動力學(xué)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、強度與壽命等設(shè)計理論及仿真重點，據(jù)此提出未來研究建議，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)計的背景與需求（一）復(fù)合材料構(gòu)件的多場多尺度設(shè)計理論先進裝備對復(fù)合材料構(gòu)件服役環(huán)境提出了嚴苛要求，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)件會出現(xiàn)強烈的多物理場耦合行為，其變形、損傷、破壞是多種機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)雜的多場環(huán)境中，涉及力學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、電磁等多物理場的耦合作用。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)組分的擴散、聚集等物理過程，還伴隨著氧化反應(yīng)等化學(xué)過程，表現(xiàn)出非平衡、非穩(wěn)態(tài)、多介質(zhì)、強非線性、強耦合的復(fù)雜特征。對于多場環(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)計理論及失效準則不再適用，亟需發(fā)展多場耦合的新型設(shè)計理論和仿真評估體系。復(fù)合材料構(gòu)件在細觀尺度單元中包含大量的纖維，若采用考慮基體、纖維所有微觀特征的設(shè)計及計算方法，對大尺度復(fù)合材料而言計算成本是難以負擔(dān)的。為了同時刻畫復(fù)合材料構(gòu)件宏觀與細觀尺度的多場耦合變形、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、細觀尺度上開展多場耦合設(shè)計及計算，同時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、損傷失效機理、服役安全及耐久性多尺度設(shè)計，是重大裝備發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此，發(fā)展多物理場耦合條件下復(fù)合材料?結(jié)構(gòu)一體化多尺度設(shè)計理論體系，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)件動力學(xué)設(shè)計理論及仿真方法爆炸、沖擊、振動等動態(tài)服役環(huán)境，對復(fù)合材料構(gòu)件動力學(xué)設(shè)計理論與仿真方法提出了嚴峻挑戰(zhàn)?；诂F(xiàn)有的纖維樹脂基復(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)計極限，發(fā)展真正面向?qū)嶋H動態(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)件動力學(xué)設(shè)計與仿真體系，是高性能復(fù)合材料構(gòu)件在未來裝備上的應(yīng)用趨勢。復(fù)合材料研究與應(yīng)用強國在復(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，建立了比較系統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件動力學(xué)設(shè)計與仿真體系；在此基礎(chǔ)上拓展形成了完整的復(fù)合材料抗爆、抗沖擊、減隔振動力學(xué)設(shè)計及仿真標準。相比之下，國內(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)在動態(tài)載荷下的損傷演化規(guī)律認識不清，無法準確預(yù)報結(jié)構(gòu)性能；②針對復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)抗爆、抗沖擊、減隔振等動態(tài)響應(yīng)的設(shè)計理論與仿真平臺缺乏，無法充分發(fā)揮復(fù)合材料構(gòu)件在動態(tài)載荷下應(yīng)有的性能與特征優(yōu)勢。因此，發(fā)展復(fù)合材料構(gòu)件動力學(xué)設(shè)計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)動仿真方法先進裝備對高性能復(fù)合材料構(gòu)件的需求快速增長，但現(xiàn)有設(shè)計與仿真方法難以實現(xiàn)顯著縮短以下方面的時間周期：復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計研發(fā)、大型復(fù)合材料構(gòu)件大批量虛擬實驗、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；在實驗、理論、計算的經(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、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間成本，為復(fù)合材料構(gòu)件的高效研發(fā)與快速評估提供了新思路。發(fā)展以高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫、高效率數(shù)據(jù)驅(qū)動算法為核心的仿真方法，正當(dāng)其時。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尺度下的平均性能，無法準確刻畫細觀及微觀尺度下的力學(xué)行為；傳統(tǒng)的計算方法停留于代表性體積單胞的求解層面，只能得到細觀或微觀尺度上的力學(xué)響應(yīng)，而無法與復(fù)合材料構(gòu)件的宏觀性能進行關(guān)聯(lián)；傳統(tǒng)的唯象本構(gòu)及計算方法，難以精確且高效地預(yù)測復(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?細觀力學(xué)行為，但面臨計算效率偏低、求解自由度過大等困難。因此，亟需引入數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，拓展與經(jīng)典力學(xué)方法相融合的多種計算仿真模式；建立復(fù)合材料構(gòu)件的高性能計算分析平臺，提供從材料設(shè)計、制備到結(jié)構(gòu)性能評估的復(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)件強度與壽命仿真評價方法工業(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、高壓容器等行業(yè)對先進復(fù)合材料構(gòu)件的需求穩(wěn)步增長。在此背景下，追求發(fā)展結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強度/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中的前機身段、機翼、中機身段、中央翼盒等部位，實現(xiàn)了減重20%~25%的工程目標；國產(chǎn)高速磁浮列車上采用了復(fù)合材料制造的車體、司機室、懸浮架，較鋁合金方案減重30%以上，壽命延長5年以上，綜合性能滿足整車的強度、撞擊、振動等要求。然而，復(fù)合材料構(gòu)件的物理檢測面臨著尺寸極大、構(gòu)造異型、測試方法難以標準化、實驗成本高、測試周期長等問題，不僅需要大型測試設(shè)備、設(shè)計復(fù)雜的實驗工裝，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)合實驗測試、數(shù)值仿真、AI驅(qū)動等手段，突破靜載、動載、復(fù)雜環(huán)境條件下復(fù)合材料構(gòu)件強度與壽命仿真評價技術(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)計理論及仿真的研究現(xiàn)狀與趨勢（一）復(fù)合材料構(gòu)件多場多尺度設(shè)計理論復(fù)合材料構(gòu)件在高溫、氧化等復(fù)雜環(huán)境下的多物理場耦合變形、損傷與破壞行為研究以及對應(yīng)的多尺度計算等，引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。復(fù)合材料構(gòu)件的熱氧化過程涉及“熱、力、化”高度耦合，從多尺度角度對熱?力?化耦合行為進行設(shè)計分析與仿真，是具有挑戰(zhàn)性的研究課題。前期研究多是通過加速熱氧老化實驗來開展復(fù)材構(gòu)件的力學(xué)性能退化與壽命預(yù)測，利用阿倫尼烏斯定律來預(yù)估材料后期的力學(xué)性能；一定程度上體現(xiàn)了反應(yīng)/擴散與力學(xué)的弱耦合（即考慮了化學(xué)場、熱場對力學(xué)的影響），但未考慮力學(xué)變形對熱反應(yīng)、化學(xué)擴散的影響，實際上沒有建立復(fù)合材料構(gòu)件的多場耦合理論。針對超高溫復(fù)合材料構(gòu)件，建立了考慮塑性和蠕變的相場氧化模型，研究了初始粗糙表面、孔洞缺陷對氧化過程中力學(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程中表面裂紋的形成機理；建立了化?力耦合的本構(gòu)理論，據(jù)此預(yù)測熱氧化復(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；進一步地，將這種化?力本構(gòu)模型推廣到纖維增強聚合物復(fù)合材料，對熱氧化、力學(xué)行為進行了數(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?氧化耦合問題研究。針對航空發(fā)動機用鈦/環(huán)氧樹脂/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)熱氧化梯度對接頭內(nèi)部應(yīng)力具有重要影響。針對復(fù)合材料在多場耦合條件下的變形和損傷演化問題，主流方式是建立包括基體和纖維束在內(nèi)的細觀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)實驗數(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，對編織復(fù)合材料在不同熱氧化條件下的變形、損傷過程進行數(shù)值計算。這些有限元模型不是基于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)所建，無法反映力學(xué)對化學(xué)場的影響。聚合物氧化反應(yīng)受到多種因素的影響，需在高分子水平對其化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理進行深入理解，才能將化學(xué)效應(yīng)與力學(xué)變形耦合并據(jù)此開展復(fù)合材料變形、損傷演化機制研究。當(dāng)前，多尺度復(fù)合材料構(gòu)件熱?化?力多場耦合設(shè)計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，而實際熱氧化的編織復(fù)合材料由于基體的收縮會產(chǎn)生微裂紋損傷，同時力學(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)用價值。（二）復(fù)合材料構(gòu)件動力學(xué)設(shè)計理論復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計理論與仿真方法研究逐漸從準靜態(tài)響應(yīng)過渡到動態(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)件強度理論、損傷預(yù)測模型、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)、動態(tài)以及循環(huán)載荷條件下的強度設(shè)計理論和仿真工作，對構(gòu)件復(fù)雜加載模式下的損傷力學(xué)理論進行探索。研究了碳纖維、凱芙拉纖維組合非對稱混雜三維正交機織復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計方法，揭示了高速沖擊下的力學(xué)和破壞行為。在復(fù)合材料構(gòu)件動力學(xué)設(shè)計中引入結(jié)構(gòu)層次、長度尺度，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)了分級纖維增強復(fù)合材料、分級多孔材料、分級功能表面和高韌性陶瓷復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計方法，研判了分級復(fù)合材料設(shè)計和優(yōu)化方向的研究挑戰(zhàn)。將多級復(fù)合材料構(gòu)件作為變形結(jié)構(gòu)動響應(yīng)設(shè)計平臺，設(shè)計各層的約束、自適應(yīng)、預(yù)應(yīng)力以實現(xiàn)構(gòu)件形狀與剛度的大范圍動態(tài)控制，為開發(fā)形狀和功能可動態(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)件動力學(xué)設(shè)計方法將有效解決裝備結(jié)構(gòu)效能提升方面的瓶頸問題，需針對動力學(xué)設(shè)計與仿真開展深入研究，如減振降噪及抗沖擊性能一體化動力學(xué)設(shè)計、多模感知與可重構(gòu)集成設(shè)計等；最終建立適應(yīng)復(fù)合材料構(gòu)件變構(gòu)型、減隔振、抗沖擊的動力學(xué)設(shè)計理論，沖擊疲勞等工況下的強度與失效仿真方法。（三）復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真方法數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真方法是以大量數(shù)據(jù)來推動材料及結(jié)構(gòu)計算的分析方法，旨在降低與本構(gòu)建模、多尺度模擬相關(guān)的智力消耗與時間成本。根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在模擬過程中所采取策略的不同，主要分為兩類。一是基于能量/距離泛函的數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真方法。對材料本構(gòu)數(shù)據(jù)進行擬合分析，獲得等效的本構(gòu)關(guān)系或等效的應(yīng)變能密度函數(shù)，在計算力學(xué)框架下通過能量/距離求極值來得到問題的解。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)，進而獲得材料的等效本構(gòu)關(guān)系；使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練材料的隱式等效本構(gòu)關(guān)系（見圖1），在降低訓(xùn)練所需樣本的同時，顯著提高了仿真效率?；诰嚯x泛函的數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，對本構(gòu)數(shù)據(jù)點與滿足守恒定量點的距離求極值，可在無需數(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分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真方法。對復(fù)合材料構(gòu)件的細觀代表性胞元（RUC）進行分塊或粗?；?，降低仿真的求解規(guī)模?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的自洽聚類分析方法（SCA）是此方向上的開拓性工作，先在離線階段計算高保真RUC模型中各個單元的彈性應(yīng)變響應(yīng)，后據(jù)此進行聚類分析，將高保真RUC模型壓縮為基于聚類的縮減RUC模型。進一步，考慮材料彈塑性損傷的數(shù)據(jù)驅(qū)動自洽聚類分析SCA方法被提出，實現(xiàn)了三維編織復(fù)合材料細觀單胞非線性力學(xué)行為的快速求解；衍生的數(shù)據(jù)驅(qū)動SCA2方法、FE-SCA2方法，顯著降低了計算成本，避免了宏?細?微觀不同尺度耦合導(dǎo)致的維度災(zāi)難問題（見圖2），實現(xiàn)了具有復(fù)雜微細觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)性能并發(fā)多尺度計算。圖2數(shù)據(jù)驅(qū)動自洽聚類分析仿真方法示意圖基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的SCA方法極大提升了復(fù)合材料細觀RUC的求解效率，有望實現(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)動復(fù)合材料設(shè)計專用數(shù)據(jù)庫角度出發(fā)，構(gòu)建數(shù)據(jù)集處理數(shù)據(jù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)等技術(shù)來提高構(gòu)件設(shè)計能力。隨著數(shù)據(jù)數(shù)量增加、質(zhì)量提升，專用數(shù)據(jù)庫中可挖掘的研究主題會越來越多，面向更多功能的數(shù)據(jù)驅(qū)動復(fù)材構(gòu)件設(shè)計和開發(fā)將會持續(xù)推進和擴展。

（四）復(fù)合材料構(gòu)件強度與壽命仿真評價方法目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)件強度、壽命強度及檢測等研究較多。對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用靜載試驗、無損檢測等方式獲得構(gòu)件的強度、剛度、抗裂性等參數(shù)，在與相應(yīng)理論值對比的基礎(chǔ)上評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)。采用動力法（如起振設(shè)備、大偏心質(zhì)量震動器、液壓起振器）激勵纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，獲得結(jié)構(gòu)固有頻率、振型、阻尼等動力參數(shù)，據(jù)此分析結(jié)構(gòu)的動力學(xué)性能并為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估提供依據(jù)。然而，先進復(fù)合材料構(gòu)件制造過程以及構(gòu)型具有復(fù)雜性，初始缺陷不可避免，在不同使用環(huán)境下還會產(chǎn)生不同程度的擴展；極端和復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件強度評價的等效實驗設(shè)計、測量標準、虛擬仿真實驗方法等有所缺失，制約了裝備升級換代與服役可靠性。因此，亟需發(fā)展極端環(huán)境下結(jié)構(gòu)強度與壽命的高保真模擬及仿真評價方法。對不同尺度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件開展強度、剛度評價，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)域的測量信號特征有差異，相應(yīng)的檢測方法面臨諸多挑戰(zhàn)；評價結(jié)果易受環(huán)境溫度、振動、結(jié)構(gòu)件形狀、表面狀況等參數(shù)變化的影響。設(shè)計了玻璃纖維平紋編織復(fù)合材料實驗樣品，結(jié)合微焦點電子計算機斷層掃描（Micro-CT）原位拉伸實驗裝置開展原位剪切力學(xué)實驗；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，通過蒙特卡洛法和布爾運算，實現(xiàn)了含有統(tǒng)計紗線幾何參數(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)合材料漸進損傷理論進行失效過程模擬，實現(xiàn)模量、強度、損傷演化過程的高效率和高保真預(yù)測，揭示了制造工藝缺陷對平紋編織復(fù)合材料失效過程的影響規(guī)律。也要注意到，對于復(fù)合材料構(gòu)件的特大變形、強不連續(xù)、多尺度沖擊失效等問題，現(xiàn)有的復(fù)合材料理論和分析方法未能獲得全面驗證，國產(chǎn)軟件平臺的仿真計算誤差難以確定。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)件強度及剩余壽命預(yù)測理論和仿真方法。基于有限元方法分析復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的損傷、疲勞等特性，據(jù)此評估復(fù)合材料強度與壽命，是當(dāng)前常用且有效的研究手段，如預(yù)測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：纖維和基體類型、纖維方向、纖維體積分數(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，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析結(jié)果來評估疲勞壽命和強度行為的方法主要有：疲勞壽命模型，基于剩余剛度、剩余強度的唯象模型，漸進損傷模型（機理模型）。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、擴展模型以及疲勞損傷模型，適用于多級載荷工況下的復(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)并以剩余強度為失效判據(jù)，實現(xiàn)了復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測；通過數(shù)值模擬方式建立纖維復(fù)合材料界面開裂、纖維開裂模型，評估了復(fù)合材料疲勞壽命與性能。隨著AI技術(shù)的進步，基于AI預(yù)測復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)損傷、疲勞性能等效率很高。借鑒統(tǒng)計理論、基于機器學(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)、自動編碼器、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），針對原始數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)，進而表征復(fù)合材料的強度特性；基于機器學(xué)習(xí)方法，對玻璃環(huán)氧復(fù)合材料熱成像疲勞損傷進行仿真分析，用于復(fù)合材料與構(gòu)件的安全評估及優(yōu)化，實現(xiàn)了遠程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；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，實現(xiàn)了復(fù)合材料服役性能和狀態(tài)的實時監(jiān)控及檢測，也可對復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷和損傷進行完整性評價。四、復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計理論及仿真的重點發(fā)展方向（一）極端和多場環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計理論目前，復(fù)合材料構(gòu)件的多場耦合問題研究多是基于實驗數(shù)據(jù)的定性評估或弱耦合研究，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等手段對性能劣化進行經(jīng)驗評估，或基于弱耦合模型開展理論與數(shù)值分析。然而，復(fù)合材料熱氧化本質(zhì)上是一種由擴散?反應(yīng)耦合過程驅(qū)動的高度非線性現(xiàn)象，與力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)為強耦合作用，已有研究方法無法從機理層面解決隨化學(xué)反應(yīng)進程而演化的力學(xué)問題。引入化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，從機理角度研究復(fù)合材料力?化耦合及其損傷演化是有價值的發(fā)展方向。熱氧化過程的化學(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)合材料多場本構(gòu)模型；建立失效準則，開展復(fù)合材料變形與損傷的多尺度計算與實驗表征，揭示宏/細觀多場耦合響應(yīng)及損傷演化機理。復(fù)合材料在外載荷、熱氧化等多物理場作用下的耦合變形和損傷演化是典型的多尺度問題（見圖3），涉及宏觀復(fù)合材料、細觀尺度纖維束、微觀尺度纖維/基體的多場耦合變形與損傷，是復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計及仿真分析的難題。多場耦合載荷下的復(fù)合材料構(gòu)件多尺度設(shè)計理論與仿真，是未來重要研究方向之一。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)件動力學(xué)分析與設(shè)計理論在爆炸、沖擊等動態(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性、時效性以及材料/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)計水平的提升，新型多功能復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)完成開發(fā)并投入應(yīng)用，為材料動態(tài)響應(yīng)行為研究提供了機遇。材料?構(gòu)件?功能一體化設(shè)計方面的新進展、新成果為復(fù)合材料構(gòu)件動態(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（如負質(zhì)量、負模量、密度張量、單向傳播、拓撲保護），為學(xué)科發(fā)展帶來了新動力?；趧討B(tài)本構(gòu)關(guān)系的復(fù)合材料構(gòu)件動力學(xué)設(shè)計理論與仿真技術(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)動仿真方法、基于聚類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)問題，需在3個方向?qū)嵤┲攸c突破。①發(fā)展復(fù)合材料代表性單胞基因庫、典型結(jié)構(gòu)基因庫，支持實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件一體化設(shè)計及評估；②改進現(xiàn)有的數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，支持復(fù)合材料構(gòu)件非線性并發(fā)多尺度模擬的準確預(yù)測；③復(fù)合材料構(gòu)件分析能力目前主要依賴商用軟件，亟需融合數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真方法與計算力學(xué)相關(guān)軟件，發(fā)展以高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫、高效率數(shù)據(jù)驅(qū)動算法為核心的多尺度計算分析平臺（見圖4）。圖4先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化多尺度計算平臺示意圖（四）復(fù)合材料構(gòu)件強度與壽命仿真評價方法從復(fù)合材料損傷機理角度出發(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)此開展強度與壽命仿真評價研究，是當(dāng)前的通行做法；采用基于無損檢測技術(shù)的多尺度缺陷特征及結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立含真實缺陷的三維有限元模型，據(jù)此預(yù)測復(fù)合材料的疲勞壽命，為復(fù)合材料剩余強度及疲勞壽命評估理論和技術(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)的強度與壽命評價方法已不能完全適應(yīng)材料應(yīng)用的新形勢，需要集成連續(xù)介質(zhì)疲勞理論、多場耦合跨尺度分析方法、有限元相場、有限元統(tǒng)計法，建立復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字仿真新方法；依托智能算法與實驗檢測手段，建立復(fù)合材料構(gòu)建設(shè)計與分析軟件平臺，發(fā)展更高效、更精確的強度與壽命評價方法體系（見圖5）。圖5復(fù)合材料構(gòu)件強度與壽命仿真評價方法體系相關(guān)研究可在六方面具體展開。①考慮工程應(yīng)用中的測量誤差、材料特性分散性、不同損傷機制的隨機性對損傷過程的影響物理機制，發(fā)展精確耦合的疲勞損傷模型和評價技術(shù)；②開發(fā)針對循環(huán)疲勞損傷萌生與演化過程的高精度在線檢測技術(shù)，尤其是微米級疲勞裂紋的損傷演化特征研究，推動基礎(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程的分析與檢測體系，實現(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)值分析與性能評估能力；④針對耦合場（熱、電、磁、化學(xué)腐蝕）作用下的先進復(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)置傳感檢測的復(fù)合材料制備技術(shù)，實時監(jiān)控并表征剛度、強度、功能參數(shù)等性能指標，為智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的損傷和壽命評價提供可靠依據(jù)；⑥發(fā)展基于耐損傷生物結(jié)構(gòu)的物理機制，突破多層級、跨尺度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(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)件多場多尺度設(shè)計技術(shù)針對重大裝備對復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用需求，綜合理論、數(shù)值、實驗研究手段，采用微觀?細觀?宏觀、自下而上的研究策略，系統(tǒng)開展復(fù)合材料構(gòu)件力?熱?化耦合變形與破壞的多尺度分析，形成多場多尺度設(shè)計理論與技術(shù)體系。發(fā)展多場耦合環(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、氧化時間等因素對復(fù)合材料組分彈