基于自洽聚类的陶瓷基复合材料多尺度损伤演化并发计算方法OA
A concurrent computational method for multiscale damage evolution in ceramic matrix composites based on self-consistent clustering
陶瓷基复合材料结构的力学性能在很大程度上取决于细观尺度的损伤演化特征,材料失效本质上源于微观组织的损伤萌生与扩展.为了准确表征复合材料的细观损伤行为,基于参数跨尺度传递的多尺度分析方法已被广泛应用于复合材料力学性能研究中.然而,传统多尺度方法存在计算效率低、计算量随尺度嵌套呈几何级增长等问题,难以满足工程应用的实时性需求.为此,本工作提出一种基于自洽聚类分析的并发多尺度建模方法.该方法利用聚类分析对细观应力/应变场进行降阶处理,通过获得均匀化后的响应结果替代完整的细观有限元计算,从而显著提高多尺度计算效率.数值结果表明,在单向复合材料与编织复合材料算例中,该方法在计算误差小于 4%的情况下,整体计算效率提升约一个数量级(约提高 10~15倍).该方法在保持较高计算精度的同时,能有效降低计算成本,为复合材料结构的高效损伤分析与寿命预测提供新的思路和技术手段.
The mechanical properties of ceramic matrix composite structures are predominantly influenced by their micro-scale damage evolution features,given that material failure fundamentally stems from the initiation and progression of microstructural damage.To precisely characterize the micro-damage behavior of composites,multi-scale analysis methods grounded in parameter cross-scale transfer have been extensively employed in the study of composite mechanical properties.Nevertheless,traditional multiscale methods are plagued by low computational efficiency and a geometric increase in computational effort with nested scales,rendering them ill-suited for real-time engineering applications.To tackle this issue,this work puts forward a concurrent multiscale modeling method based on self-consistent clustering analysis.This method utilizes clustering to reduce the dimensionality of the microscale stress/strain field.It substitutes full-scale microscale finite element computations with homogenized response results,thereby substantially enhancing the efficiency of multiscale computations.Numerical results reveal that for both unidirectional and woven composite material cases,the proposed method achieves an overall improvement in computational efficiency of approximately one order of magnitude(10-15 times faster)while keeping computational errors below 3%.By effectively cutting down on computational costs while maintaining high accuracy,this approach provides new insights and technical means for efficient damage analysis and life prediction of composite structures.
毛建兴;王贵灿;刘昱;潘锦超;马鹏辉;刘茜;胡殿印;王荣桥
北京航空航天大学 航空发动机研究院,北京 100191||先进航空发动机协同创新中心,北京 100191北京航空航天大学 航空发动机研究院,北京 100191北京控制工程研究所,北京 100094北京航空航天大学 航空发动机研究院,北京 100191||先进航空发动机协同创新中心,北京 100191北京航空航天大学 能源与动力工程学院,北京 100191先进航空发动机协同创新中心,北京 100191||北京航空航天大学 能源与动力工程学院,北京 100191北京航空航天大学 航空发动机研究院,北京 100191||先进航空发动机协同创新中心,北京 100191先进航空发动机协同创新中心,北京 100191||北京航空航天大学 能源与动力工程学院,北京 100191
航空航天
陶瓷基复合材料自洽聚类分析多尺度建模降阶计算
ceramic matrix compositesself-consistent clustering analysismultiscale modelingreduced order calculation
《航空材料学报》 2026 (9)
79-87,9
国家自然科学基金(52505144)国家科技重大专项(Y2022-IV-0002-0019)中国博士后科学基金(2024M764101,GZC20252715)中国科学技术协会青年人才托举工程(YESS20241007AE)北京市自然科学基金(3252007)中国太行国家实验室项目(THL-K-25-050)中央高校基本科研业务费专项资金
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