复合材料仿真分析之路还要走多远?

(文章转自复合材料力学公众号)

复合材料仿真分析真正用于指导工程设计还有多远的路要走?看到这个问题可能很多人会想,复合材料仿真分析蓬勃发展了几十年不是一直都在用于指导工程设计吗?每天新发表的这方面的文章也是层出不穷。事实上,先进的复合材料理论发展了几十年,工业界仿真水平还是有所滞后,工业界设计验证还是以试验为主,仿真辅助,且是主观经验性很强的仿真另外,还有一部分基本概念、有限元理论和复合材料力学都欠缺的伪仿真,仿真对他们来说可能是漂亮的动画或云图。


现在的仿真分析依然没有摆脱其尴尬的处境。经典的力学发展了数百年,搞基础理论研究的人想在复合材料力学理论方面有所创新已经很难了;而另一方面,现有的复合材料理论和分析方法缺乏全面的验证,搞不清一种理论方法到底适用于哪种工况,其误差究竟有多少,导致工程设计中无人敢用;再加上大量未经过验证的研究工作纷纷发表,一看全会,一用全废,让很多人都觉得仿真分析是花拳绣腿,坐实了其花瓶儿的角色。


未来是数字化、智能化的时代,先进仿真分析技术是数字化、智能化的基础,是以后工程设计的必备手段,随着建模方法和分析方法的逐步完善和规范,其发挥的作用也将越来越大。现阶段,仍然有很多基础理论和验证工作去做。但目前工业部门/科研院所和高校之间存在鸿沟,沟通不足,各有各的问题。


高校


高校侧重基础研究,解决具体的科学问题,但高校离实际需求较远,有些研究会偏离实际应用;其次,其研究多着眼于细节,扎得深,看得也会窄,难以形成系统整体的规划;另外,部分老师的研究内容多取决于经费来源,有什么项目做什么事,一旦经费没有了,可能之前做得很好的工作都无法再延续,很可惜。


且近些年高校内卷严重,老师这个群体也是压力山大,主要精力放在发论文、拉项目上,不这样做,可能连留校的机会都没有。这些年,与不少老师打过交道,认识的很多老师,都有各自擅长的领域,勤勤恳恳、认认真真耕耘了几十年,学术水平很高,是十分令人尊敬和信任的。但也有少数人为了发论文、拉项目已经到了可以枉顾科学事实、背离学术道德的地步了,大包大揽、大吹特吹的现象普遍,花里胡哨却又不甚有用的东西亦不鲜见。具体到工作多由研究生操刀,草草应付了事,偏离工程实际,缺乏严谨求实。老一辈建立起来的信任在近些年出现了一些危机。随着大量优秀的博士生、硕士生涌进工程单位,工业界整体的认识水平也在提升,越来越不好忽悠,高校群体也应该注意维护自己的形象,重新建立信任感,少数人的放任可能会影响工业界对群体的印象。


科研院所


这些单位通常更侧重于型号研制工作,基础科学问题可能梳理不清楚,且原有的设计体系根深蒂固,全面引入仿真分析去指导设计是要动摇根基的,不经过全面、详实、严谨的验证,没有人敢担责任。而这个验证的过程是漫长、枯燥、难出成果的,且极有可能吃力不讨好。看看WWFE就知道了,其目标也是为了让先进的复合材料理论更好地去指导工程设计,每一届都耗时数年,耗费巨大的精力,而这个时间内,都不知道有多少颗火箭、卫星上天了,相比之下,还是型号工作更容易出成绩,所以,指望科研院所、企业这些工程单位去做这个事情也是不现实的。


总得有出路吧


今天跟体制内的一位朋友聊天也说起这个事情,颇有感触,有些人在这个领域摸爬滚打十几年甚至几十年,是有情怀的,是想做一些有意义的事情的。随着航空航天数字化进程的推进,仿真技术总是要发展的,设计手段终归要进步的,原有的复合材料设计方法在减重空间上已经达到了极限,想进一步的实现轻量化,需要更深入地去摸清机理、发现问题、解决问题了,而不是一味的用保守的数据去覆盖问题。要怎么去做,怎么去建立体系是很复杂的事情。


不管是哪一个尺度、哪一个层级的分析方法,上到组件、部件、全尺寸,下到元件、试样甚至细观,每一个层级、每一个尺度的仿真分析方法都要经过严格验证,规范化建模方法,标的好分析方法。搞仿真的人都知道,想让计算结果跟实验结果对得上也是很容易的,中间有太多的参数都是可调的,将过程和方法固化、规范化、标准化才能尽可能地去减少人为主观因素的影响,保证仿真分析结果的客观性。这个需要航空航天系统内有明确需求的科研院所做出整体规划,要验证哪些材料?哪些层级?哪些尺度?哪些结构?哪些工况?要测试哪些基础数据?要如何保证测试数据的可信度?以往的失去监控的实验外包恐怕是不行的,基础数据直接影响整个项目的成败,是要异常严谨的。有了这些基础数据之后,可以由高校来完成具体工况的盲测和修订,最终确定出特定材料、特定层级(或尺度)、特定结构、特定工况下的建模及分析方法,形成标准。功在当代,利在千秋!前路漫漫,任重而道远!


科技活动


每年国内有一些复合材料领域的科技比赛活动,比如复合材料学会举办的“上纬杯”、SAMPE学会举办的机翼、桥梁比赛,已成规模,但这几项比赛在组织方式上还是有改进空间的,现阶段对仿真分技术的发展没有什么促进作用,学生拿软件随便算一算,定性分析下,出几个云图,只为了证明有计算这个环节,基础数据不齐全,算也算不准。WWFE也有类似的问题,其实验数据来源并不是都很严谨,有的是实验数据,有的是引自参考文献,且有些数据明显是有问题的。


去年疫情的时候曾经策划过一个类似于国内WWFE的事情,针对工程中的一些基础问题,提炼成类似于比赛题目的形式,提供详细的材料基础数据,征集参与人员进行盲测,最终评定各家的分析方法。但由于种种原因这个活动没有成行,今天跟朋友又聊起这个事,觉得其实是可以继续做下去的,如果有对这个活动感兴趣的,欢迎联系,一起再策划一下。


絮絮叨叨,不知所云,睡觉去了,O(∩_∩)O~*)o!

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