一种复合材料梁结构的多尺度数字孪生方案的制作方法

1.本技术涉及多尺度建模领域，特别涉及一种能够提升计算效率和解决非线性问题的多尺度数字孪生方案。


背景技术：

2.复合梁结构广泛存在于工程界与自然界，例如人的腿骨、竹节结构，以及混凝土梁、纤维增强材料制成的风机叶片等细长结构，复合梁结构宏观结构的屈曲失稳等破坏过程，其诱因往往可以追溯到微、细观尺度的变形、失稳等现象，由此，建立一种可以宏观与微观、细观相互关联，数值世界和现实世界的信息实时交换的、准确高效数字孪生方案对于预测问题、避免事故具有很强的现实意义。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种复合材料梁结构的多尺度数字孪生方案，目的是提升计算效率，达到多尺度信息互传，虚拟与现实世界信息相互传递的高效准确的数值模型。
4.为了达到上述发明的目的，本发明提供的技术方案如下：
5.一种多尺度数字孪生方案，包括：前处理部分，用于传感器所提供本构关系及几何形貌特征，其中传感器所反映的结构体积可以较小(几十到几百纳米)；处理(计算)部分，利用前处理的数字孪生模型，基于fe2理论建立宏观尺度和微观、细观尺度相耦合的多尺度模型，并求解出宏观、微观和细观尺度的位移、应变和应力等物理参量，其中非线性求解器采用数值渐近法，在宏观、微观和细观尺度在每一个迭代步骤中相互关联，信息实时互传；后处理部分，根据用户需求标示出所需区域、全域的位移场，应变场及应力场，演示出危险的区域，并可实时计算获得更新后的整体模型。
6.在一些实施例中，所述微观尺度提供的是纤维增强材料，提供纤维和基体两种材料的几何尺寸、材料属性、网格划分信息。
7.在一些实施例中，所述微观尺度提供的是圆域夹杂材料，提供夹杂和基体两种材料的几何尺寸、材料属性、网格划分信息。
8.在一些实施例中，所述宏观尺度及微观、细观尺度的后处理过程采用位移云图、应变云图、应力云图来表示计算结果。
9.在一些实施例中，所述数值模型建立于变形梯度与第一基尔霍夫应力的连续介质力学模型，采用张量形式推导模型，并运用几何非线性假设。
附图说明
10.本技术将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示类似的结构，其中：
11.图1是根据本技术一些实施例所示的一种复合材料梁结构的多尺度数字孪生方案；
12.图2是根据本技术所建立的数字孪生模型在宏观尺度采用的针对三维情况的梁理论模型；其中f
τ
是关于厚度方向的通用扩展函数,n
u
是展开项总数；
13.图3是根据本技术所建立的数字孪生模型在宏观尺度梁理论模型的三维情况对应的轴向和横截面的模拟；其中f
τ
是关于厚度方向的通用扩展函数，n
i
是c0形函数；
14.图4是根据本技术所建立的数字孪生模型在宏观尺度梁理论模型的二维情况；其中f
τ
和f
k
是关于厚度方向的通用扩展函数，n
i
和n
j
是c0形函数；
15.图5是根据本技术所建立的数字孪生模型在宏观尺度梁理论模型的二维情况对应的轴向和横截面的模拟；
16.图6是根据本技术的多尺度数字孪生方案的一个示例性实施例：纤维增强材料代表体单元(微观尺度)构成的简支短梁结构(宏观尺度)；
17.图7是根据本技术的多尺度数字孪生方案的一个示例性实施例的结果：简支短梁的宏观应力云图及在(l/4,h/2)和(l/4,
‑
h/2)点处的代表体单元的微观应力云图；
18.图8是根据本技术的多尺度数字孪生方案的一个示例性实施例：圆域夹杂rve(微观尺度)所构成的悬臂梁结构(宏观尺度)；
19.图9是根据本技术的多尺度数字孪生方案的一个示例性实施例的结果：最终状态下，悬臂短梁内剪切应力在梁中性面上(z/l＝0)沿梁轴向的分布。
具体实施方式
20.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。应当理解，给出这些示例性实施例仅仅是为了使相关领域的技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
21.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。
22.一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
23.术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。
24.以下，不失一般性，在描述本发明中复合梁结构的数值建模相关技术时，对象将采用“梁结构”或“细长结构”的描述，而研究方法将采用“数值模型”或“数字孪生方案”的描述。在本领域中，相关从业人员可以将本模型很容易拓展至复合板、壳结构的建模中。
25.图1是根据本技术的一些实施例所示的一种复合梁结构的多尺度数字孪生方案流程图。如图1所示，多尺度复合梁结构的多尺度数字孪生模型100可以包括前处理模块102、处理(计算)模块104、后处理模块106以及可离线存储的微观、细观尺度本构计算模块108。
26.前处理模块102可以提供宏观尺度和微观、细观尺度的几何信息、材料信息、网格信息。所述前处理模块可以采用商业有限元软件编写的具有特定数据格式的信息文件，或
采用测量或照相设备所产生的红外信号、可见光(图像)信号、磁信号并通过前处理模块通过特殊途径转化为程序、可以执行的文本格式或张量形式，前面所述的红外信号、图像信号、磁信号的获取可以是有线的或无线的，也可以是实时或延时的，各种形式的信号可以是相关的也可以是无关的。
27.可离线存储的微观、细观尺度本构计算模块108可以提供微观尺度周期性边界条件下的位移求解，这一方案可以采用真实宏观数值的结构变形信息传递，也可以预设变形值，并采用遍历搜索方式获得微观尺度的结构变形信息。
28.在一个实施例中，采用了纤维增强型的微观结构方式进行计算，其纤维和基体的材料种类、各个材料的杨氏模量、泊松比等信息、几何信息均为任意的；在另一个实施例中，采用了圆域夹杂型的微观结构形式进行计算，其夹杂与基体的材料种类、各个材料的杨氏模量、泊松比等信息、几何信息均为任意的。
29.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
30.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
31.此外，本领域技术人员可以理解，本技术的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本技术的各个方面可以完全由硬件执行、也可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、还可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。另外，本技术的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
32.此外，除非权利要求中明确说明，本技术所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用或其他名称的使用，并非用于限定本技术流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本技术实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
33.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
34.一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例
描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”等来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值数据均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值数据应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和数据为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
35.最后，应当理解的是，本技术中所述实施例仅用以说明本技术实施例的原则。其他的变形也可能属于本技术的范围。因此，作为示例而非限制，本技术实施例的替代配置可视为与本技术的教导一致。相应地，本技术的实施例不仅限于本技术明确介绍和描述的实施例。