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大数据下仿真技术的特点和新趋势

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仿真,这个词最先源自20世纪50年代初的计算机仿真,自此之后,科学和产业界进入了一个可以在虚拟世界中模拟现实情境的全新时代。

在当今数字化浪潮的冲击下,仿真技术作为一项关键性的工程手段正在经历前所未有的发展变革。随着大数据的崛起,仿真技术在不断融合创新中焕发出新的活力。如图1所示,过去,仿真一直是稀缺而昂贵的资源,正所谓物以稀为贵,所以导致其应用范围很窄,仅在大型工程项目中得以应用,然而,如今计算机和仿真领域的迅猛发展使仿真算力成本大大降低,使得仿真技术逐渐成为每个产品设计不可或缺的组成部分。

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1. 仿真的基本概念和发展历程

特别是在大数据和AI时代,仿真不再仅限于验证某个案例,而是深入贯穿整个产品生命周期,从早期概念设计、制造到运营和维护全程环环相扣,特别是在响应国家重大战略需求下,仿真在虚拟样机、飞行器、航空航天和虚拟战场发挥着重要的作用。

在这个新材料,新概念、新时代的中国大环境下,仿真正在悄悄迎来蜕变。据文献调查取证,这些变化共同推动着仿真技术变得无处不在,为各行业带来积极的影响,助力产品创新和性能提升,推动企业的营收增长和国家的强盛。其新方向主要在以下三个方面(思维导图见图2):

一、简单产品仿真不在是唯一,而是设计整个生产线。一方面,简单的产品只能满足用户的某个点或某个面,无法提供从需求定义到设计,再到运营阶段的全流程定义和维护。在数字革命时代,每个行业都在通过数字仿真实现全流程的产品设计和维护。另一方面,各行业都在经历数字革命,只有通过数字式仿真的所有产品选项,才能获得创新所需的深刻洞察。最重要的是,仿真过程不需要切断现有生产线,最大限度地降低对生产效率的影响,也力求适应这个趋势,不断增加功能以满足广泛的仿真需求。

二、仿真技术具备对复杂工况进行深度分析的能力。图1可以看出,过去由于各种约束,工程师只能关注对产品的某些方面或部件进行仿真。然而,随着仿真技术的进步,工程师现在可以研究多物理场并对整体产品性能进行全面评估。仿真不再仅限于验证某个特定案例,而是成为工程师在早期概念设计阶段分析成千上万个案例的工具,以确定最佳解决方案。从需求阶段开始,利用仿真生成设计方案;在设计阶段,利用仿真验证设计;在运营阶段,通过采集数据并利用仿真工具修正运营方案。因此,仿真工程对多物理场的模拟已经成为工程师和运营人员不可或缺的手段。

三、仿真技术将在整个产品生命周期中获取利润。在仿真过程中,科学家可以创建产品或设备的数字孪生体,甚至可以建立虚拟传感器。通过远程传感器收集产品工况数据,分析人员创建产品/设备的数字孪生体,并对数字模型相同的物理力和其他环境条件进行实时模拟。

此外,数字孪生体可应用于各行各业,而且可以进行假设研究,预测可能的严重故障或维护需求,如对城市中的交通流或行人流进行预测。具有仿真功能的数字孪生体将成为产品设计和运行的内在部分,从而使仿真成为整个产品的内嵌部分。这为产品的全生产周期提供了更加全面和深入的管理和优化。

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2. 仿真技术的需求导向和发展新趋势

综合而言,仿真不仅是技术的发展,更是一种思维方式的变革,为企业带来了更广阔的创新空间和竞争优势。

过去,仿真技术主要在控制、管理、计算机、系统工程等学科中发展壮大,并在实际应用中逐渐成熟。然而,仿真学科长期依附于其他学科和应用领域,专门从事仿真学科研究的人员相对较少,对仿真学科自身建设的关注较为有限。也就是,仿真学科的发展仍然面临分支旺盛,主干不足的困境,仿真学科自身的建设未能跟上社会需求的步伐。

当前关于仿真学科的研究存在三个方面的差距,即在教学的投入、学问的分支和学术的组织方面。这些差距使得仿真学科尚未成为一个成熟独立的学科。为了使仿真学科更好地满足社会需求,有必要在教学、研究分支和学术组织等方面加强相关工作,推动仿真学科的全面发展,以更好地服务于国家科技创新和社会进步。

为了突破这一发展瓶颈,仿真学科需要加强自身的学科建设。尽管当前仿真学科积累了大量知识,但在对其进行系统梳理方面,仿真学界仍存在欠缺的问题。由于长期以来应用需求的压力,国内仿真研究主要集中在应用方向,而学科基础理论和知识体系的深入研究相对较少。

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3. 仿真技术的发展现状和经后的聚焦主题。 

因此,要推动仿真学科理论与知识体系的建设,需要从分析仿真学科的基本概念出发,深入剖析仿真学科的核心内容及其相互关系,以推动学科的理论和知识体系的深入研究。往后科学家的投入领域包括(见图3):

1. 推进仿真学科知识系统化:借鉴现代科学和AI模型的数学化特点,仿真学科的知识形式化核心在于采用数学语言表示模型和仿真系统的结构。通过数学化和形式化,可以进行更为深入的数学分析,加速仿真方法从研究到实践的应用过程。

2. 关注仿真学科的工程教育:仿真学科教育和人才培养直接关系到一个国家在仿真科学领域的竞争实力。借鉴美国将建模与仿真纳入高等教育法的做法,关注仿真学科的工程教育,将为深化认识仿真学科提供动力。

3. 进行仿真学的研究:尝试将仿真学科作为研究对象,建立仿真学的理论、内容和架构,以推动仿真学科的发展。这一努力将有助于满足新常态、新业态和新环境下经济社会发展对仿真的需求,使仿真学科产生一次升腾与飞跃的发展。

在我看来,大数据对仿真技术的推动,不仅让仿真更智能、全面数字化,也拓展了应用领域。仿真不再是独立的验证工具,而是深度融入产品生命周期,为创新提供了更强大的支持。在这个时代,数据的开放性与协同性将引领仿真技术的未来,促使跨领域的合作,为科技发展创造更广阔的可能性。

注:仿真的知识多元和深奥,本人知识有限,请大家多多指教和相互学习,共同为仿真学的进步做出自己的一点贡献。

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首次发布时间:2024-01-04
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7Andy
博士 探索材料之美,模拟未来之强!
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一种纤维复合材料的仿真模型

连续纤维制造(CFF)过程已被证明是制造连续纤维增强热塑性聚合物(CFRTP)复合材料的有前途的方法。尽管如此,不确定的材料特性和对其多轴行为的数据稀缺仍限制了它们的工业应用。制造商通过分析增材制造(AM)CFRTP的单向(UD)行为,报告了它们与传统制造对应品相比显着较低的强度和刚度。此外,通过检查材料微观结构,研究人员也就层间和层内栅格接触区域的弱点达成了共识。除了由于AM聚合物材料内部过多的水分而产生的空隙外,大多数低级别的AM机器还会在接触区域产生空隙图案。因此,许多尝试都被做出来识别和测量空隙含量,并计算其对强度和刚度降低的影响。此外,已经发表了许多关于3D打印过程的影响的报告,证实了层间和栅格间接触处的弱点,达成了空隙对AM复合材料行为的重要影响的共识。通过数字图像相关(DIC)捕捉的局部塑性区域的分析,作者证实AM构件受键合弱点的影响很大。对UDAMCFRTP复合材料进行了进一步的研究,并达成了材料行为的典型趋势的共识。通过他们的研究,研究人员记录了纵向的分裂失效模式和横向载荷情况下的栅格间键合失效,并在后失效分析中报告了拉断纤维的高比例。尽管对于材料行为有共识,但实验结果之间也存在显著差异,这强化了材料行为不确定性的概念,这也是限制AM复合材料在工程应用中实施的基本因素。与在中关于AM复合材料比传统制造具有较低强度和刚度的报告相反,其他实验结果显示,UDAM试样的表现优于使用传统真空袋或湿铺放方法制备的试样,这可能是由于AM过程的全自动化造成的。尽管已经对单向行为进行了大量的实验研究,但是几乎没有关于AMCFRTP复合材料在多轴载荷下的研究。此外,实际应用中的层板很少设计为单向,因此研究多轴响应是非常关键的。因此,本研究侧重于应用连续损伤模型来描述AMCFRTP复合材料在层堆叠序列(LSS)诱导的多轴载荷下的退化和失效情况。为了尽可能准确地捕捉材料行为,考虑了损伤模型和失效准则。因此,通过分析理论方法,采用基于Puck-Schurman失效准则的渐进损伤模型,研究表明是适用于AMCFRTP复合材料损伤和失效预测的。损伤模型将被实现为Fortran子程序,并根据中提供的指南用于有限元分析软件Abaqus。AMCFRTP复合材料的失效准则将基于连续损伤力学(CDM)框架中的层板性能获得。因此,为了检查它们的单向和剪切性能,将准备和测试三种不同的试样,按照ASTMD3039和ASTMD3518标准。为了验证损伤模型,在AMCFRTP复合材料上进行实验研究,根据进行建模,利用特定的LSS实现预定义的双轴比率下稳定的损伤增长。采用ASTMD5766指南制备和测试试样,利用GOM-Aramis数字图像相关(DIC)系统捕捉全场应变行为。最后,使用设计实验算法获得响应曲面,并进行参数优化,以实验结果为基准,实现对研究案例的最小偏差校准损伤模型参数。鉴于此,本文提出了一种基于Puck-Schurmann破坏准则的渐进损伤模型。连续的碳纤维增强板层性能是基于文献中的可用数据和单轴实验获得的。采用的性能被整合到损伤模型子程序中,并在有限元分析软件中使用,而模型参数是根据独特的多方向加强测试案例的行为,通过设计实验的响应面算法进行校准,并进行了实验验证。相关工作以“Experimentalvalidationofprogressivedamagemodelinginadditivelymanufacturedcontinuousfibercomposites”发表在《CompositeStructures》上。1.样品设计首先,为了检测工程应用中增强复合材料(AMCFRTP)中的损伤起始和扩展,提出了对多轴增强层板的实验研究。根据ASTMD5766标准设计了OH90、OH60和OH45三种不同开孔样品,其LSS分别采用[0/902/0/902]S、[0/602/0/-602]S和[0/452/0/-452]S,相应的双轴比例分别为0、1.61和0.57,如图1所示。图1.设计的LSS案例:a)[0/902/0/902]S,b)[0/452/0/-452]S,c)[0/602/0/-602]S。2.质量评估接着,为了更准确地预测失效行为,根据现有的实验数据对模型参数进行了校准。校准采用了基于中心复合设计的响应曲面算法进行,涉及四个连续因子,包括剪切应力乘数mtf、有效纤维强度系数ξ,以及模量退化参数κDEG和nDEG,通过寻求数值上和实验上获得的失效载荷之间的最小偏差来进行。分析准则采用了有限元分析(FEA)失效载荷值和实验获得的数据平均值之间的偏差,该分析针对OH45进行,R-square值达到了96.41%。为了更好地可视化,响应曲面通过六个二维图展示在图6中,其中两个变量被限定。参数分析显示有效纤维强度系数ξ和剪切应力乘数mtf对材料失效预测具有显著影响,而其他系数的影响精度为10%。此外,对于模量退化参数κDEG和nDEG的检查,存在两个明显的区域。对于nDEG等于一的线性退化情况,最佳解决方案是采用κDEG值为0.2。相反,非线性退化更好地描述在nDEG从2.5到3.5的范围内,κDEG在0.5到0.9的范围内。图2.使用GOMAramis软件对OH45样品进行应用栅格化和图像质量评估。3.失效监测在评估几何性质后,试样已准备好进行DIC监测。实验在同一台机器上进行,使用与UD试样相同的参数。在GOM-Aramis软件中进行了初始表面图案评估和进一步的图像处理,重点关注接触应变计的测量区域,并在分析之前减去开孔区域,如图2所示。此外,还设计了两个虚拟应变计,用于在纵向和横向方向进行应变监测。为了更好地进行比较,纵向虚拟应变计的标距被设定为与接触应变计相等,而横向虚拟应变计则被放置在标距中部跨越试样宽度的位置。在测量过程中,DIC系统还与测试机控制器连接,以从负荷传感器获取实时数据。初步测试在较低的力(最多250N)下进行,之后进行了电压-负荷转换的校准。测量过程中同时使用DIC和接触应变计作为独立的系统进行,获得的数据之间有良好的一致性。最后,使用GOM-AramisDIC系统获得的全场应变测量结果呈现在图4中,这有助于对损伤起始和裂纹扩展进行可视化,对损伤模型评估具有重要意义。图3.(a)OH90样品;(b)OH60样品;(c)OH45样品:损伤起始时的纵向应变;纵向失效前应变;横向失效前应变;失效过程。4.响应分析图4.响应曲面图。5.数值模拟在获取增材制造的CFRTP复合材料试样的数值和实验结果后,最终可以对模型应用进行测试。因此,对每种测试LSS情况下的实验结果和有限元分析结果进行了比较,分析了载荷-应变行为和损伤情况,结果显示两者吻合良好。最初的比较结果显示对层合板承载能力存在显著高估,因此需要引入额外的校准参数以更好地描述材料行为。尽管UD层在载荷方向上加固,使层合板呈现线弹性响应,但损伤和极限强度也受支撑层的影响。由于OH-90试样在受拉方向上的双向性较弱,张应力下基体的影响可以忽略。在图5的数值结果中,最大载荷下的裂纹垂直于载荷方向生长,符合预期的失效模式。与OH-90相补充,OH-60试样也表现出由UD0层主导的行为,但由于60°定向的支撑层承载轴向载荷比例较小,层合板的极限强度平均提高了7%,极限应变提高了6.2%。尽管UD-0层的影响最大,但损伤扩展更受支撑层定向的影响,导致裂纹倾向于沿着偏离轴向的层定向方向生长,。与此相反,损伤模型未能正确捕捉到这种倾斜,保持在极限载荷下裂纹面与载荷方向垂直。尽管如此,与3的实验结果的比较显示出良好的一致性,而承载能力则较保守,与OH90情况相似。模型准确描述了实验捕捉到的行为,这是预期的,因为该情况已被用于模型校准。图5.(上图)失效的OH90样品(中间)失效的OH60样品,(下面)失效的OH45样品b)载荷-应变图,c)在最大载荷值下的拉伸中纤维失效。6.仿真分析该模型缺乏损伤演化规律,因此在OH-90和OH-60情况下的完全失去承载能力的失效并没有被准确地表示出来,如图6所示。因此,为了更好地预测失效,应考虑引入损伤演化规律。由于所提出的模型低估了极限承载能力,并返回了最低的平均误差,因此可以考虑将其应用于增材制造的CFRTP复合材料建模中。图6.在完全失去承载能力的情况下,拉伸中的纤维失效:a)OH90情况,b)OH60情况,c)OH45情况。小结首先,根据ASTMD5766标准设计了OH90、OH60和OH45三种不同开孔样品,其LSS分别采用[0/902/0/902]S、[0/602/0/-602]S和[0/452/0/-452]S,相当于双轴比分别为0、0.57和1.61,并在准静态条件下进行了单轴测试,同时使用GOM-Aramis数字图像相关系统进行监测。为了描述材料行为,采用基于Puck破坏准则的渐进损伤模型,在商业有限元分析软件Abaqus中实现,并使用FortranUMAT子程序。在比较数值和实验获得的数据时,发现OH90和OH60样品的承载能力被明显高估,存在保守偏差。为了解决这些偏差,考虑了四个新的校准参数。因此,引入有效纤维强度系数ξ来解决过高的承载估计问题,剪切应力倍增器mtf来诱导剪切应力对纤维破坏条件的影响,而剩余的参数κDEG和nDEG则被提出来影响失效触发后的剪切模量的非线性程度。通过应用响应面算法,采用四参数中心组合设计的试验设计方法进行校准,以OH45试件的数值和实验失效载荷之间的最小偏差为目标,达到了96.41%的R平方值。最终采用校准参数的值是通过解决响应面方程得到的一组可能的解决方案,分别对所有研究案例产生最小的与实验结果的偏差。引入的校准参数在所有测试案例中显著减少了过高估计误差,导致数值和实验数据之间的比较更加准确,但仍然偏保守。遗憾的是,模型缺乏损伤演化规律,导致在引入剪切应力对纤维失效准则之后表现出不现实的失效后行为。综上所述,所提出的模型可以描述具有应力集中器的增材制造复合层板的拉伸行为,并成功预测关键纤维损伤在合理的公差范围内,但为了更好地预测失效,需要考虑损伤演化规律。

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仿真技术圈
内容服务技术,技术创造价值
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