数据驱动计算力学研究进展

以数字孪生、人工智能为核心的大数据理念正深刻影响着第四次工业革命,数据驱动计算力学在此背景下应运而生并展现勃勃生机.与此同时,航空航天等尖端工业领域对高性能材料与结构的先进制造与安全评估提出了更严峻的挑战,传统计算力学已很难实现成倍缩短产品研发周期、实时跟踪产品信息并提供解决方案的目标.因此,发展面向高性能材料与结构的数据驱动计算力学正当其时且刻不容缓.本文拟通过梳理数据驱动计算力学的部分研究现状,探讨数据驱动计算力学的发展趋势.     

基于数据驱动的舵面结构优化设计

在航空航天领域,基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加;而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中,对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义.对于给定的载荷,薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强,这与空气舵结构的设计需求高度一致.然而,传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题.本研究采用了全新的显式拓扑优化方法-移动可变形组件法(MMC),并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计.该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化,具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势,从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题.进一步,建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型;将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计,从而显著提升了舵面结构优化设计的效率.文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术,可以推广应用于其他高端装备的智能设计.     

基于扭曲Kagome点阵结构的一模材料设计

零能模式超材料指弹性矩阵的特征值中有若干为零的弹性材料,根据零特征值的个数可将其分类为一模至五模材料。当前,针对五模材料已有较深入研究,并在水声和弹性波调控方面获得重要应用,而对其他类型零能模式材料的研究尚未展开。本文对扭曲Kagome周期桁架这样一类欠约束点阵材料的有效弹性性质进行了研究,结果表明通过调节点阵材料的微观几何构型和杆件刚度,该类结构能够涵盖一系列一模材料谱系。针对给定一模弹性张量,发展了软-硬模式分离的微结构逆向优化设计策略。通过特定一模材料中的波传播现象对有效性质预测和微结构设计进行了数值验证。     

基于数据驱动模型求解热传导反问题

热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值.本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题.在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系数转化的思想,建立机器学习模型,求解了测点温度与有效导热系数之间的抽象映射关系,进而实现管道内壁几何形...     

数据驱动梯度结构材料弹塑性本构

梯度结构材料因其优异的力学性能被广泛应用于工程结构中.论文整合塑性理论和人工神经网络技术,发展了一种构建梯度结构材料弹塑性本构模型的新方法.该方法基于梯度结构材料不同位置的微结构,构建不同代表性体积单元,进而生成应力应变数据,应用生成的数据训练人工神经网络,建立基于神经网络的材料本构模型.应用该方法,论文开展了针对实际...     

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.      

90年代的技术:先进材料和预计性设计

在当代设计中,对材料的要求日益严格。为了满足这些要求,发展了种种材料和设计方法。但要扩展目前的设计方法看来越来越困难。目前的方法主要是以连续介质模型的建立和经验方法为基础,来对付出现在许多工程应用中的大量变量。据认为,建立原子模型(靠此模型很少能得到工程解)可以对本构方程的形式,变量的组配和材料性能参数的大小进行更加深入的洞察。恰当地说,这方面信息可以指出一条有助于解决迫切工程问题的道路,即“结合模型信息”的经验方法。     

基于分层数据搜索的数据驱动算法研究

数据驱动计算力学是一种直接利用材料应力应变数据驱动力学仿真计算的新技术.该方法通过反复遍历数据库,为数据驱动模型中的每一个积分点搜索并匹配最佳应力应变数据,使得在高维度和高密度的大规模数据库时计算效率不高.在此背景下,论文提出一种分层数据搜索方案,替换原有的遍历式数据搜索方式,以提升数据驱动的计算效率.该方案的核心思想是将大规模数据库切割成多层级子数据库,并利用树形搜索原理,减小单次搜索数据的范围,降低数据搜索的时间成本,达到提升计算效率的目的.文中简要介绍了数据驱动计算力学的基本步骤,并给出了分层数据库的构造方案,最后结合算例,讨论了数据库分层数量和分层方式对数据驱动计算效率的影响.     

一类双层薄膜结构振动能量采集器的数据驱动建模方法及应用

随着工程研究对象日益复杂化、系统化,单纯依赖先验知识的力学建模手段难以满足日渐复杂的系统建模需求.相比而言,数据驱动通过大数据处理方法得到准确反映系统当前运动状态的数学模型,体现了数据科学融入基础与应用科学领域的发展趋势.特别是稀疏非线性动力系统辨识算法(SINDy)的出现,解决了直接构建非线性数学模型的难点问题,实现了由实验数据到非线性控制方程的直接过渡.然而,受制于噪声数据的影响显著以及奇异矩阵难以准确分析等因素, SINDy在实际应用中的可靠性仍有待加强.有鉴于此,文章在已有SINDy算法基础上提出增强型稀疏筛选辨识算法(ESINDy),改进了数据滤波模块以强化其对于含噪信号的处理能力,并且改变了原有算法的循环函数体,以提高其对于奇异问题的识别能力,使之更适于分析工程信号中常见的强噪声、高奇异性等问题.作为应用,研究了一类双层薄膜结构电磁式振动能量采集器(EMH),利用理论建模与ESINDy方法相结合的手段建立了采集器动力学方程,并通过实验和仿真对理论结果进行验证.结果表明:相比于SINDy算法, ESINDy算法能够更加准确地识别该动力学系统的信息,刻画系统蕴含的复杂振动行为....     

基于变位移约束的结构材料优化设计

针对质量最小化、位移为约束条件的结构材料优化问题,提出了一种变位移约束的结构材料拓扑优化方法。采用分式有理式识别结构材料单元特性参数,以细观单元拓扑变量倒数为设计变量,结合均匀化方法求出宏观结构单元的等效刚度矩阵以及其对细观单元设计变量的导数,进而得到位移的一阶近似展开式。结合变约束限的思想,得到了以结构质量作为目标函数、位移作为约束条件的连续体细观结构拓扑优化近似模型;并采用对偶方法进行求解。对几种典型结构,进行了考虑单个和多个位移约束的结构材料优化设计,所得结果验证了本文方法的有效性和可行性。     

模拟结构倒塌破坏的有限质点法

有限质点法是以向量式力学为基础的新兴结构分析方法,本文将其应用于冲击荷载作用下的网壳结构的倒塌破坏模拟中。以空间杆单元为例建立了有限质点法的基本方程,推导了求解几何和材料非线性问题的基本公式。为计算断裂问题,建立了空间杆单元的断裂准则和断裂模型,发展了有限质点法进行断裂分析的基本算法。通过对某双层网壳冲击荷载下破坏过程的模拟和分析,验证了该方法在结构倒塌破坏过程模拟中的有效性和适用性。     

基于CAD平台的周期性材料单胞的参数化形状优化设计方法

对于具有特定材料属性的周期性复合材料设计,提出了一种参数化的形状优化方法。对于带有周期性结构的两相材料,给定细观单胞结构的基本构型,通过参数化的实体造型技术,结合均匀化方法,实现了通用的材料单胞形状参数化设计方法,以获取指定材料性能。在参数化结构形状优化设计CAD/CAE集成平台POSHAPE上完成程序实现。文中算例给出了两相蜂窝型骨架复合材料和空心复合材料周期性单胞的零泊松比和指定参数性质的形状优化设计过程,并验证了本文方法的有效性。     

A data-driven memory model for solving turbulent flows with the pseudo-direct numerical simulation method

It is well known that the inherent three-dimensional and unsteady nature of turbulent flows is a stumbling block for all approaches aimed at resolving their spatial and temporal variability. The pseudo-direct numerical simulation (P-DNS) method for turbulent flows, proposed by the authors in a previous publication, focused on resolving the spatial variability, leaving the task of solving the temporal evolution to a highly simplified, parameter dependent model, to be adjusted in a case by case basis. Although some auspicious results were obtained, the applicability of P-DNS for problems of industrial interest required a more sophisticated method to deal with the temporal variability. In this sense, the present work proposes a new, parameter free, data-driven memory model for P-DNS. The model is based on the study of off-line DNS solutions of turbulent flows transitioning between statistically steady states in simple domains. The new P-DNS model is tested and successfully compared against existing methods in selected three-dimensional turbulent flows.     

A multiscale material point method for impact simulation

To better simulate multi-phase interactions involving failure evolution, the material point method (MPM) has evolved for almost twenty years. Recently, a particle-based multiscale simulation procedure is being developed, within the framework of the MPM, to describe the detonation process of energetic nano-composites from molecular to continuum level so that a multiscale equation of state could be formulated. In this letter, a multiscale MPM is proposed via both hierarchical and concurrent schemes to simulate the impact response between two microrods with different nanostructures. Preliminary results are presented to illustrate that a transition region is not required between different spatial scales with the proposed approach.     

基于状态递推器的改进型残差X^2检测法

针对传统的残差X2检测法对缓变故障检测不灵敏,并且存在较大的时间延迟的问题.提出了一种基于状态递推器的改进型残差X2检测法.该方法是通过构造一个状态递推器,该状态递推器利用每隔一定时间的系统估计值作为递推的先验信息进行时间更新,而不进行量测更新,因此不受故障信号的干扰.试验表明,采用改进型残差X2检测法能及时的发现系统的缓变故障,不但提高了故障检测灵敏度,同时,也具有一定的故障定位能力,保障了系统的安全性和可靠性.     

Multiscale structural design of columns made of regular octet-truss lattice material

This paper focuses on the structural design of the microscopic architecture of a lattice material with regular octet-truss cell topology and on the multiscale design of an axially loaded member manufactured of this type of cellular solid. The rationale followed here hinges on the coincidence of the failure modes of a stretching dominated lattice material, which experiences two types of microscopic failure modes, namely, elastic buckling and plastic yielding. A lattice material that fails by the elastic buckling of its cell elements without reaching the plastic yielding is far from optimum. To avoid this event and improve the material strength, we first start to tailor the structural efficiencies of the cell elements. We show that by shaping the cell element cross-sections, the lattice material buckling resistance can increase until it equals the cell element yield strength, thereby exploiting fully the lattice material strength. The coincidence of these two failure modes is the structural criterion used to develop selection charts for the micro-structural design of the octet-truss lattice material. In the second part of the paper, we examine the design of a structural column manufactured by regular octet-truss lattice material. We show that to maximize the structural failure resistance at both the structural and the material levels, the global buckling and the yielding failure of the column must occur simultaneously with the microscopic failure modes of the lattice material, namely the local buckling and the yielding of its microscopic cell elements. The paper concludes by illustrating how the micro-truss geometry and the column cross-section can be simultaneously designed to fully exploit the strength of the material and the overall macrostructure.     

颗粒材料柱体崩塌物质点法数值模拟

为了研究颗粒材料崩塌的运动规律和堆积特性,采用物质点法对颗粒材料柱体崩塌试验进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比验证。对颗粒材料柱体崩塌过程中颗粒的流动特性(滑动距离、堆积高度、速度、能量和动能通量的演化)进行了分析。进一步探究了颗粒材料柱体高宽比对颗粒流动能通量的影响,从而反应颗粒材料柱体崩塌过程中颗粒流的破坏能力。颗粒材料柱体高宽比越大,颗粒材料柱体外侧边缘颗粒速度越大,其溃散的程度更加强烈,并且滑动距离和动能均在增大。对于动能通量的分布,水平方向越靠近初始颗粒材料柱体,动能通量越大。     

大学生结构设计大赛中的计算机仿真分析

针对清华大学2006年结构设计大奖赛的命题而写,命题是承受移动和冲击载荷的桥梁结构模型设计与制作. 说明通过将计算机仿真分析引入结构设计大赛,有助于提高结构设计大赛的分析和设计水平,对于促进土木工程的本科教学也有一定的意义.     

爆炸焊接复合界面波与温度场物质点法分析

爆炸焊接是一门双金属复合工程技术,在炸药爆轰载荷驱动下,飞板高速冲击基板时,两金属板复合界面处在高温高压作用下材料发生塑性流动并形成周期性波状界面,波状界面的形成与复合界面处的材料熔化和变形直接相关。本文应用物质点法对爆炸焊接界面波的形成和界面温度场进行数值模拟,同时开展双金属爆炸焊接实验,并结合物质点法的三维数值模拟对爆炸焊接界面波的形态和界面材料高温软化进行分析。     

Advanced damper with high stiffness and high hysteresis damping based on negative structural stiffness

High structural damping combined with high stiffness is achieved by negative stiffness elements. Negative incremental structural stiffness occurs when a column with flat ends is subjected to snap-through buckling. Large hysteresis (i.e., high damping) can be achieved provided the ends of the column undergo tilting from flat to edge contact. The column configuration provides high structural stiffness. Stable axial dampers with initial modulus similar to that of the parent material and with enhanced damping were designed built and tested. Effective damping of approximately two and stiffness-damping product of approximately 200 GPa were achieved in such dampers consisting of stainless steel columns. This is a significant improvement for this figure of merit (i.e., the stiffness-damping product), which generally cannot exceed 0.6 GPa for currently used damping systems.