本發(fā)明涉及計(jì)算力學(xué)與材料損傷，特別是涉及多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)方法。
背景技術(shù)：
1、在金屬及復(fù)合材料的破壞過程中，材料的微觀裂紋萌生、擴(kuò)展及與宏觀失效行為的關(guān)聯(lián)是當(dāng)前工程分析中的重要問題。目前，有限元方法在模擬宏觀材料行為方面具有優(yōu)勢(shì)，但難以準(zhǔn)確捕捉微觀損傷的動(dòng)態(tài)演化；相反，基于microct的斷裂力學(xué)微觀探測(cè)技術(shù)，以及微觀力學(xué)模型可揭示材料內(nèi)部機(jī)理，但在處理復(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算成本高昂。現(xiàn)有技術(shù)往往難以同時(shí)兼顧宏觀效率與微觀精度。
2、目前常用的損傷分析方法如基于連續(xù)損傷力學(xué)(cdm)的有限元分析及斷裂力學(xué)模型雖然取得了廣泛應(yīng)用，但仍存在以下不足：
3、微觀裂紋對(duì)宏觀損傷的映射精度不足，微觀裂縫的擴(kuò)展對(duì)材料宏觀特性演化過程的影響采用統(tǒng)計(jì)損傷分布的方法，基于連續(xù)損傷力學(xué)得到宏觀模型。然而微裂紋的影響在統(tǒng)計(jì)過程中被屏蔽掉，無法直接評(píng)估微裂對(duì)漸進(jìn)破壞的直接作用；無法動(dòng)態(tài)更新裂紋擴(kuò)展路徑，正是因?yàn)楦呕Ｐ偷钠帘瘟宋⒘鸭y的萌生和擴(kuò)展過程，裂紋的擴(kuò)展路徑也無法直接在損傷模型中計(jì)算，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，不穩(wěn)定；計(jì)算效率不足，采用損傷模型仍然需要大量的算力支持，在面對(duì)復(fù)雜工業(yè)結(jié)構(gòu)時(shí)，仍然存在計(jì)算效率低下的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
2、針對(duì)現(xiàn)在技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)方法。利用微觀損傷參數(shù)動(dòng)態(tài)更新宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，從而實(shí)現(xiàn)高精度的損傷預(yù)測(cè)和路徑評(píng)估，并提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)失效分析的效率與穩(wěn)定性。
3、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)。
4、為達(dá)上述目的，本發(fā)明一方面提出一種多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)方法，包括：
5、選取多種代表性材料進(jìn)行微觀力學(xué)試驗(yàn)，并利用microct觀測(cè)不同加載條件下的損傷演化過程以得到微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果；
6、基于微觀力學(xué)模型模擬裂紋狀態(tài)復(fù)現(xiàn)所述微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為約束進(jìn)行仿真計(jì)算的材料參數(shù)修正以得到微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果；
7、基于所述微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果確定代表性體積單元rve尺度，并利用連續(xù)損傷力學(xué)模型描述宏觀損傷行為，以得到宏觀損傷變量與應(yīng)力、應(yīng)變的演化關(guān)系數(shù)據(jù)。
8、本發(fā)明實(shí)施例的多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)方法還可以具有以下附加技術(shù)特征：
9、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，選取多種代表性材料進(jìn)行微觀力學(xué)試驗(yàn)，并利用microct觀測(cè)不同加載條件下的損傷演化過程以得到微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，包括：
10、選擇多種代表性材料，包括金屬材料、復(fù)合材料、陶瓷材料以及高分子材料中的一種或多種；
11、選用復(fù)合材料制備立方體樣品，并利用microct設(shè)備進(jìn)行不同條件下的原位加載掃描，觀測(cè)并記錄測(cè)試裂紋萌生和擴(kuò)展的三維幾何特征；
12、按照預(yù)設(shè)的加載步驟逐步增加載荷，并在每個(gè)加載步之間或關(guān)鍵加載階段暫停加載，進(jìn)行原位microct掃描得到microct圖像并獲取對(duì)應(yīng)的裂紋關(guān)鍵特征；
13、基于圖像分割算法對(duì)加載過程的microct圖像進(jìn)行閾值分割和形態(tài)學(xué)處理，以提取出關(guān)鍵損傷參數(shù)。
14、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述不同條件，包括完全固定、部分約束和自由邊界的約束形式；原位加載掃描，包括準(zhǔn)靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載；加載步驟，包括等位移加載、等載荷加載；裂紋關(guān)鍵特征，包括裂紋密度、取向分布、孔洞體積分?jǐn)?shù)；關(guān)鍵損傷參數(shù)，包括裂紋長度密度、局部應(yīng)變分布。
15、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于微觀力學(xué)模型模擬裂紋狀態(tài)復(fù)現(xiàn)所述微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為約束進(jìn)行仿真計(jì)算的材料參數(shù)修正以得到微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果，包括：
16、利用at2相場(chǎng)模型進(jìn)行建模，并采用退化函數(shù)在加載的全階段描述損傷過程以確定量泛函公式；
17、通過microct觀測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)能量泛函公式中的相場(chǎng)開度參數(shù)和長度參數(shù)與斷裂韌性以得到微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果。
18、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基于所述微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果確定代表性體積單元rve尺度，并利用連續(xù)損傷力學(xué)模型描述宏觀損傷行為，得到宏觀損傷變量與應(yīng)力、應(yīng)變的演化關(guān)系數(shù)據(jù)，包括：
19、基于微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果，并將損傷因子作為判斷依據(jù)確定代表性體積單元rve的尺度；
20、基于代表性體積單元進(jìn)行多工況有限元-相場(chǎng)耦合計(jì)算，以生成包含應(yīng)變-應(yīng)力序列及損傷變量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；
21、采用門控循環(huán)單元構(gòu)建多層循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練多層循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以得到訓(xùn)練好的多層循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；將宏觀應(yīng)變張量與歷史損傷狀態(tài)輸入至訓(xùn)練好的多層循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出為等效損傷變量與更新后的應(yīng)力；
22、根據(jù)計(jì)算得到的等效損傷變量與更新后的應(yīng)力，利用連續(xù)損傷力學(xué)模型描述宏觀結(jié)構(gòu)的損傷行為，以定義宏觀損傷變量及演化規(guī)律。
23、為達(dá)上述目的，本發(fā)明另一方面提出一種多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，包括：
24、微觀力學(xué)試驗(yàn)?zāi)K，用于選取多種代表性材料進(jìn)行微觀力學(xué)試驗(yàn)，并利用microct觀測(cè)不同加載條件下的損傷演化過程以得到微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果；
25、微觀演化建模模塊，用于基于微觀力學(xué)模型模擬裂紋狀態(tài)復(fù)現(xiàn)所述微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為約束進(jìn)行仿真計(jì)算的材料參數(shù)修正以得到微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果；
26、宏觀損傷等效模塊，用于基于所述微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果確定代表性體積單元rve尺度，并利用連續(xù)損傷力學(xué)模型描述宏觀損傷行為，以得到宏觀損傷變量與應(yīng)力、應(yīng)變的演化關(guān)系數(shù)據(jù)。
27、本發(fā)明實(shí)施例的多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)方法和系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)有損傷分析方法的不足，選取多種代表性材料進(jìn)行微觀力學(xué)試驗(yàn)，利用microct觀測(cè)不同加載條件下的損傷演化過程。采用相場(chǎng)斷裂理論建模，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正材料參數(shù)。通過微觀參數(shù)宏觀等效計(jì)算確定rve尺度，基于此計(jì)算等效應(yīng)力、應(yīng)變和損傷因子，運(yùn)用連續(xù)損傷力學(xué)模型描述宏觀損傷行為，得到宏觀損傷變量與應(yīng)力、應(yīng)變的演化關(guān)系數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度損傷預(yù)測(cè)與路徑評(píng)估，提升復(fù)雜結(jié)構(gòu)失效分析的效率與穩(wěn)定性。
28、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
1.一種多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，選取多種代表性材料進(jìn)行微觀力學(xué)試驗(yàn)，并利用microct觀測(cè)不同加載條件下的損傷演化過程以得到微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述不同條件，包括完全固定、部分約束和自由邊界的約束形式；原位加載掃描，包括準(zhǔn)靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載；加載步驟，包括等位移加載、等載荷加載；裂紋關(guān)鍵特征，包括裂紋密度、取向分布、孔洞體積分?jǐn)?shù)；關(guān)鍵損傷參數(shù)，包括裂紋長度密度、局部應(yīng)變分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于微觀力學(xué)模型模擬裂紋狀態(tài)復(fù)現(xiàn)所述微觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為約束進(jìn)行仿真計(jì)算的材料參數(shù)修正以得到微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述微觀數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果確定代表性體積單元rve尺度，并利用連續(xù)損傷力學(xué)模型描述宏觀損傷行為，得到宏觀損傷變量與應(yīng)力、應(yīng)變的演化關(guān)系數(shù)據(jù)，包括：
6.一種多尺度微觀損傷觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的宏觀漸進(jìn)損傷智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，其特征在于，包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，微觀力學(xué)試驗(yàn)?zāi)K，還用于：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述不同條件，包括完全固定、部分約束和自由邊界的約束形式；原位加載掃描，包括準(zhǔn)靜態(tài)加載和動(dòng)態(tài)加載；加載步驟，包括等位移加載、等載荷加載；裂紋關(guān)鍵特征，包括裂紋密度、取向分布、孔洞體積分?jǐn)?shù)；關(guān)鍵損傷參數(shù)，包括裂紋長度密度、局部應(yīng)變分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，微觀演化建模模塊，還用于：
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，宏觀損傷等效模塊，還用于：