CN115995279A

CN115995279A - 一种材料力学特性评估方法、装置、设备及可读存储介质

Info

Publication number: CN115995279A
Application number: CN202310282390.5A
Authority: CN
Inventors: 刘琦; 刘磊; 杜雁霞; 蔡兴考; 魏东; 肖光明; 杨肖峰; 桂业伟
Original assignee: Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2023-04-21
Anticipated expiration: 2043-03-22
Also published as: CN115995279B

Abstract

本申请公开了计算机技术领域内的一种材料力学特性评估方法、装置、设备及可读存储介质。本申请基于同一复合材料的不同尺度的网格结构进行材料力学特性的求解，在整个求解过程中不同尺度网格的相互映射一次性确定且可并行式求解位移基函数，最终可快速得到宏观位移分布，并据此位移分布评估复合材料的力学特性。不同尺度的网格结构可自动求解材料交界面处的数值不连续问题，不需要额外针对交界面处进行计算；并且，该方案还具有尺度不分离特性，由此可更能直接体现细观尺度材料空间分布方式对宏观、细观位移分布的影响。相应地，本申请提供的一种材料力学特性评估装置、设备及可读存储介质，也同样具有上述技术效果。

Description

一种材料力学特性评估方法、装置、设备及可读存储介质

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，特别涉及一种材料力学特性评估方法、装置、设备及可读存储介质。

背景技术

目前，复合材料的力学特性可借助实验手段和计算手段确定。然而，受复合材料的空间随机以及多尺度分布影响，实验手段获得的结果随机性较大、可重复性差，同时实验成本过高且周期过长。现有的计算手段也存在诸多问题，包括：1.基于FEM（有限元）或FVM（有限体积法）直接求解时，所需的计算量巨大且数值模拟困难；2.基于异质跨尺度混合FEM-FVM求解的过程较复杂，且变量需要在不同数值方法间进行插值传递，降低了计算精度；3.基于多尺度渐进展开理论的FEM的求解过程存在尺度分离问题；4.直接使用FEM存在虚假应力集中问题，导致真实应力集中位置难以有效准确预测；5.格心型FVM对于交界面存在应力跳跃问题，交界面位置的参数需要额外处理，会增加计算复杂度。可见，现有的计算手段要么求解过程复杂，要么计算精度低，难以同时保障计算效率和精度。

因此，如何提高复合材料力学特性的计算效率和精度，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种材料力学特性评估方法、装置、设备及可读存储介质，以提高复合材料力学特性的计算效率和精度。其具体方案如下：

第一方面，本申请提供了一种材料力学特性评估方法，包括：

获取针对同一复合材料构建的第一网格结构和第二网格结构；所述第一网格结构包括多个第一网格，所述第二网格结构包括多个第二网格，任一第二网格大于任一第一网格；

确定每个第二网格与多个第一网格之间的映射关系，并按照所述映射关系使每个第二网格映射有多个第一网格中的材料力学属性；

针对每个第二网格，确定当前第二网格的位移基函数，并利用所述位移基函数构建当前第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式；

构建同一网格顶点的位移与应力关系式，基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建所述第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程；

基于所有位移求解方程得到所述第二网格结构中各网格顶点的位移，将所述第二网格结构中各网格顶点的位移填充至评估参数集，以利用填充后的评估参数集评估所述复合材料的力学特性。

可选地，若所述第一网格结构中的各第一网格为周期型分布，则针对任一个第二网格进行材料力学属性的映射；

若所述第一网格结构中的各第一网格为非周期型分布，则针对每个第二网格分别进行材料力学属性的映射。

可选地，所述确定当前第二网格的位移基函数，包括：

基于预设边界条件和所述位移基函数的控制方程确定当前第二网格的位移基函数；所述预设边界条件为：线性边界、过采样边界、周期边界或过采样周期边界。

可选地，任一第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式为：

；

可选地，所述利用填充后的评估参数集评估所述复合材料的力学特性之前，还包括：

基于任一第二网格对应的位移关系式以及该第二网格的各网格顶点的位移，计算该第二网格映射的任意第一网格的网格顶点的位移，由此得到所述第一网格结构中各网格顶点的位移；

基于各位移与应力关系式和所述第一网格结构中各网格顶点的位移，计算所述第一网格结构中各网格顶点的应力；

将所述第一网格结构中各网格顶点的应力和位移填充至所述评估参数集。

基于各位移与应力关系式和所述第二网格结构中各网格顶点的位移，计算所述第二网格结构中各网格顶点的应力；

将所述第二网格结构中各网格顶点的应力填充至所述评估参数集。

第二方面，本申请提供了一种材料力学特性评估装置，包括：

获取模块，用于获取针对同一复合材料构建的第一网格结构和第二网格结构；所述第一网格结构包括多个第一网格，所述第二网格结构包括多个第二网格，任一第二网格大于任一第一网格；

映射模块，用于确定每个第二网格与多个第一网格之间的映射关系，并按照所述映射关系使每个第二网格映射有多个第一网格中的材料力学属性；

计算模块，用于针对每个第二网格，确定当前第二网格的位移基函数，并利用所述位移基函数构建当前第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式；

构建模块，用于构建同一网格顶点的位移与应力关系式，基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建所述第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程；

评估模块，用于基于所有位移求解方程得到所述第二网格结构中各网格顶点的位移，将所述第二网格结构中各网格顶点的位移填充至评估参数集，以利用填充后的评估参数集评估所述复合材料的力学特性。

第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的材料力学特性评估方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的材料力学特性评估方法。

通过以上方案可知，本申请提供了一种材料力学特性评估方法，包括：获取针对同一复合材料构建的第一网格结构和第二网格结构；所述第一网格结构包括多个第一网格，所述第二网格结构包括多个第二网格，任一第二网格大于任一第一网格；确定每个第二网格与多个第一网格之间的映射关系，并按照所述映射关系使每个第二网格映射有多个第一网格中的材料力学属性；针对每个第二网格，确定当前第二网格的位移基函数，并利用所述位移基函数构建当前第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式；构建同一网格顶点的位移与应力关系式，基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建所述第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程；基于所有位移求解方程得到所述第二网格结构中各网格顶点的位移，将所述第二网格结构中各网格顶点的位移填充至评估参数集，以利用填充后的评估参数集评估所述复合材料的力学特性。

可见，本申请针对同一复合材料构建了不同尺度的网格结构，从而可基于不同尺度的网格结构实现动力学方程以及位移基函数控制方程的空间离散；并且，大网格（即第二网格）以及小网格（即第一网格）的相互映射关系一次性确定，无需重复映射，据此映射关系还可并行式求解位移基函数，最终可快速得到宏观位移分布，并据此位移分布评估复合材料的力学特性。宏观位移分布由包括大网格的第二网格结构中各网格顶点的位移构成。同时，该方案不必进行插值过程，因此可避免插值所产生的数值误差，由此可提升计算精度；且不同尺度的网格结构属于格点型FVM，可自动求解复合材料的交界面处的应力数值不连续问题，不需要对异质复合材料的交界面处的材料参数进行额外计算。由于该方案基于大网格与小网格的相互映射以及位移基函数建立了宏观与细观位移间的联系，因此该方案还具有尺度不分离特性，由此可更能直接体现细观尺度材料空间分布方式对宏观、细观位移分布的影响。

相应地，本申请提供的一种材料力学特性评估装置、设备及可读存储介质，也同样具有上述技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种材料力学特性评估方法流程图；

图2为本申请公开的一种第一网格结构和第二网格结构的示意图；

图3为本申请公开的一种非周期型的小网格示意图；

图4为本申请公开的一种位移数值基函数的边界条件示意图；

图4（a）为位移基函数Ψ _ixx、Ψ _ixy的边界条件；

图4（b）为位移基函数Ψ _jxx、Ψ _jxy的边界条件；

图4（c）为位移基函数Ψ _kxx、Ψ _kxy的边界条件；

图4（d）为位移基函数Ψ _lxx、Ψ _lxy的边界条件；

图5为本申请公开的一种控制体示意图；

图6为本申请公开的一种局部坐标下的控制体覆盖的小网格积分位置示意图；

图7为本申请公开的一种材料力学特性评估装置示意图；

图8为本申请公开的一种电子设备示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，用于评估复合材料力学特性的计算手段要么求解过程复杂，要么计算精度低，难以同时保障计算效率和精度。为此，本申请提供了一种材料力学特性评估方案，能够提高复合材料力学特性的计算效率和精度。

参见图1所示，本申请实施例公开了一种材料力学特性评估方法，包括：

S101、获取针对同一复合材料构建的第一网格结构和第二网格结构；第一网格结构包括多个第一网格，第二网格结构包括多个第二网格，任一第二网格大于任一第一网格。

S102、确定每个第二网格与多个第一网格之间的映射关系，并按照映射关系使每个第二网格映射有多个第一网格中的材料力学属性。

在一种示例中，第一网格结构和第二网格结构可以参照图2。在图2中，第一网格结构中的各个第一网格为小网格，也称为细网格；第二网格结构中的各个第二网格为大网格，也称为粗网格。材料力学特性的求解目标是：计算第一网格结构的各网格顶点的位移和/或应力，计算第二网格结构的各网格顶点的位移和/或应力，由此便可得到细观位移和/或应力分布和宏观位移和/或应力分布。如图2所示，第一网格结构包括256个第一网格，共289个网格顶点；第二网格结构包括16个第二网格，共有25个网格顶点。网格顶点也称为节点。在图2中，任一个小网格表示一种材料，不同灰度的小网格表示不同的材料。并且，与不同大网格所映射的多个小网格的分布一致，因此第一网格结构中的各第一网格可认为是周期型分布，那么对于不同大网格而言，其所映射的多个小网格的材料力学属性是相同的，因此若第一网格结构中的各第一网格为周期型分布，则针对任一个第二网格进行材料力学属性的映射，其他第二网格需要映射的材料力学属性可通过复制得到。其中，任一第一网格中的材料力学属性包括：弹性模量E、泊松比μ、密度ρ。

请参照图3，图3示意了一种非周期型的小网格。如图3所示，与不同大网格所映射的多个小网格的分布不一致，因此认为第一网格结构中的各第一网格不是周期型分布，那么对于不同大网格而言，其所映射的多个小网格的材料力学属性可能不同，因此若第一网格结构中的各第一网格为非周期型分布，则针对每个第二网格分别进行材料力学属性的映射，以使各个第二网格分布映射到相应的材料力学属性。在图3中，任一个小网格表示一种材料，不同灰度的小网格表示不同的材料。

在一种具体实施方式中，若第一网格结构中的各第一网格为周期型分布，则针对任一个第二网格进行材料力学属性的映射；若第一网格结构中的各第一网格为非周期型分布，则针对每个第二网格分别进行材料力学属性的映射。

S103、针对每个第二网格，确定当前第二网格的位移基函数，并利用位移基函数构建当前第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式；

在一种具体实施方式中，确定当前第二网格的位移基函数，包括：基于预设边界条件和位移基函数的控制方程确定当前第二网格的位移基函数；预设边界条件为：线性边界、过采样边界、周期边界或过采样周期边界。图4以线性边界为例，为映射有多个第一网格的材料力学属性的第二网格加边界条件，以使图4所示的第二网格上的25个节点处的位移服从线性边界提供的线性分布函数。其中，图4（a）为位移基函数Ψ _ixx、Ψ _ixy的边界条件；图4（b）为位移基函数Ψ _jxx、Ψ _jxy的边界条件；图4（c）为位移基函数Ψ _kxx、Ψ _kxy的边界条件；图4（d）为位移基函数Ψ _lxx、Ψ _lxy的边界条件；i、j、k、l为图4所示第二网格的4个网格顶点；△₁和△₂分别为沿x轴方向和y轴方向给定的线性边界值。可见，针对任一个大网格，可确定16个位移基函数：Ψ _xx(包括Ψ _ixx 、Ψ _jxx 、Ψ _kxx 、Ψ _lxx)，Ψ _xy(包括Ψ _ixy 、Ψ _jxy 、Ψ _kxy 、Ψ _lxy)，Ψ _yy(包括Ψ _iyy 、Ψ _jyy 、Ψ _kyy 、Ψ _lyy)，Ψ _yx(包括Ψ _iyx 、Ψ _jyx 、Ψ _kyx 、Ψ _lyx)。

其中，位移基函数的控制方程为：

，▽表示梯度算子，“:”表示双点乘算子，D为四阶刚度矩阵。

在一种具体实施方式中，任一第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式为：

；

其中，任一第二网格U的网格顶点i的位移表示为U（U _ix,U _iy），U _ix为网格顶点i在x轴上的位移，U _iy为网格顶点i在y轴上的位移；第二网格U有4个网格顶点，i=1,2,3,4；第二网格U映射的任一个第一网格u的网格顶点的位移表示为u（u _x,u _y），u _x为第一网格u的网格顶点在x轴上的位移，u _y为第一网格u的网格顶点在y轴上的位移；Ψ _ixx、Ψ _ixy、Ψ _iyy、Ψ _iyx均为第二网格U的位移基函数。

S104、构建同一网格顶点的位移与应力关系式，基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程。

在一种具体实施方式中，基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程，包括：针对第二网格结构中的每个网格顶点，连接当前网格顶点所属的第二网格的边中点以及该网格顶点所属的第二网格的中心点，得到围绕该网格顶点的控制体，由此确定围绕第二网格结构中每个网格顶点的控制体；针对每个控制体，基于动力学方程、当前控制体覆盖的位移关系式以及当前控制体覆盖的位移与应力关系式，构建当前控制体对应的位移求解方程。

在一种示例中，围绕第二网格结构中任一网格顶点的控制体如图5所示，图5所示的控制体围绕节点9构建，结合图2所示，取节点9所属的大网格IC₆、IC₇、IC₁₀、IC₁₁的网格边界的中点以及中心点，依次连接4个边中点、4个中心点，即可得到图5所示控制体。以此类推，基于图2中的IC₉、IC₁₀、IC₁₃、IC₁₄构建的控制体如图2中的虚线框1；围绕图2中的节点X构建的控制体如图2中的虚线框2。可见，在第二网格结构中，围绕不同网格顶点的控制体的面积不同。图5中的L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈为图5所示控制体的积分线，ic₁为该控制体覆盖的小网格的中心点。

S105、基于所有位移求解方程得到第二网格结构中各网格顶点的位移，将第二网格结构中各网格顶点的位移填充至评估参数集，以利用填充后的评估参数集评估复合材料的力学特性。

在得到第二网格结构中各网格顶点的位移后，还可以基于任一第二网格对应的位移关系式以及该第二网格的各网格顶点的位移，计算该第二网格映射的任意第一网格的网格顶点的位移，由此得到第一网格结构中各网格顶点的位移；基于各位移与应力关系式和第一网格结构中各网格顶点的位移，计算第一网格结构中各网格顶点的应力，后续将第一网格结构中各网格顶点的应力和位移填充至评估参数集，就可以依据第二网格结构中各网格顶点的位移、第一网格结构中各网格顶点的位移和/或第一网格结构中各网格顶点的应力评估复合材料的力学特性。因此在一种具体实施方式中，利用填充后的评估参数集评估复合材料的力学特性之前，还包括：基于任一第二网格对应的位移关系式以及该第二网格的各网格顶点的位移，计算该第二网格映射的任意第一网格的网格顶点的位移，由此得到第一网格结构中各网格顶点的位移；基于各位移与应力关系式和第一网格结构中各网格顶点的位移，计算第一网格结构中各网格顶点的应力；将第一网格结构中各网格顶点的应力和位移填充至评估参数集。

当然，还可以基于各位移与应力关系式和第二网格结构中各网格顶点的位移，计算第二网格结构中各网格顶点的应力，那么就可以依据第二网格结构中各网格顶点的位移、第二网格结构中各网格顶点的应力、第一网格结构中各网格顶点的位移和/或第一网格结构中各网格顶点的应力评估复合材料的力学特性。因此在一种具体实施方式中，利用填充后的评估参数集评估复合材料的力学特性之前，还包括：基于各位移与应力关系式和第二网格结构中各网格顶点的位移，计算第二网格结构中各网格顶点的应力；将第二网格结构中各网格顶点的应力填充至评估参数集。

本实施例能够求解得到细粒度的位移与应力分布以及粗粒度的位移与应力分布，并且，先求解了粗粒度的位移分布，然后以此为基础求解了其他参数，如此不仅可使计算逻辑具备尺度不分离特性，还可以提升计算效率。

可见，本实施例基于同一复合材料的不同尺度的网格结构进行材料力学特性的求解，在整个求解过程中不同尺度网格的相互映射一次性确定且可并行式求解位移基函数，最终可快速得到宏观位移分布，并据此位移分布评估复合材料的力学特性。不同尺度的网格结构可自动求解材料交界面处的数值不连续问题，不需要额外针对交界面处进行计算；并且，该方案还具有尺度不分离特性，由此可更能直接体现细观尺度材料空间分布方式对宏观、细观位移分布的影响。

下述实施例针对本申请提供的方案做进一步的详细介绍。本实施例的实现步骤包括：针对同一复合材料构建细网格和粗网格，并建立细网格和粗网格的材料属性映射关系，通过在单胞（即：一个粗网格）周围逐步施加线性狄利克雷边界条件，以确定单胞中节点位置处位移沿x和y方向的数值基函数，同时计算单胞映射的各个小网格的数值基函数在小网格边中点位置处的导数，小网格内的线积分长度以及小网格的单位外法向量；根据数值基函数及其导数、积分线长度及积分线外法矢量以及围绕粗网格节点的控制体，求解不同控制体对应的待解方程，最后组装不同控制体对应的待解方程，形成最终待解方程组；之后，采用多重网格求解技术求解待解方程组获得各个粗网格节点位置处的宏观位移，同时基于宏观位移与细观位移的关系计算细网格节点位置处的细观位移，基于同一位置的位移与应力关系、宏观位移、细观位移，计算宏观与细观应力。

其中，建立细网格和粗网格的材料属性映射关系时，在全局坐标系下根据细网格、粗网格的顶点及中心坐标确定映射关系。本实施例采用多重网格技术，将材料属性存储在网格中心，根据上述确定的映射关系，将细网格上的材料属性（弹性模量E、泊松比μ、密度ρ）映射到粗网格上。如果各个细网格上的材料属性为周期型分布，则仅需要映射一次，如果各个细网格上的材料属性为非周期型分布，则需要映射多次。

映射完成后，确定单胞的数值基函数和数值积分常量。在粗网格内求解数值基函数时，通过在子网格下求解数值基函数的控制方程获得，其中施加的边界条件可为线性边界、过采样边界、周期边界或过采样周期边界。在单胞内根据已知线性分布函数施加边界节点位置处的Ψ _xx、Ψ _xy（或Ψ _yy、Ψ _yx）。x方向的数值基函数Ψ _xx、Ψ _xy的边界条件见图4，y方向的数值基函数Ψ _yy、Ψ _yx采取与x方向类似的处理方式进行施加。

其中，位移基函数的控制方程为：

(1)，▽表示梯度算子，“:”表示双点乘算子，D为四阶刚度矩阵。

针对平面应力问题，各向同性非均质材料D可表示为：

(2)。

针对平面应变问题，D可表示为：

(3)。

通过对粗网格依次施加边界条件，对式(1)采用格点型FVM进行离散求解，即可获得数值基函数Ψ _xx，Ψ _xy，Ψ _yy，Ψ _yx。线积分常量（包括单位外法矢量和线积分模量）基于一个粗网格映射的各细网格的节点坐标直接计算获得。

下一步基于积分格式的动力学方程：

(4)形成宏观尺度待解弹性方程矩阵。其中，ρ表示密度，u _i表示细网格尺度下位移矢量u沿i方向的分量，σ _ij表示细网格下应力张量σ垂直于j方向的微元面沿i方向的应力分量，t为时间，S和L分别表示控制体Ω的积分面和积分线。控制体Ω如图5所示。

宏观与细观场景下，同一位置的应力张量σ与位移矢量u的关系可采用下式进行表示：

(5)。

考虑到细观尺度位移u _i在控制体内的变化较小，那么式(4)左侧的那么时间积分项采用宏观尺度U _i平均近似计算，式(4)左侧可化为：

(6)。

其中，s为控制体面积。式(6)中的二阶时间导数采用中心差分公式：

(7)。

其中，△t为时间增量，上标t-△t表示上一时刻，上标t-2△t表示上两个时刻。

宏观尺度U（U _x,U _y）和细观尺度u（u _x,u _y）之间可通过数值基函数建立联系：

(8)。

其中，求和符号“∑”的上标4表示粗网格的4个节点。

将式(5)和(8)代入式(4)右侧的线积分项，则有：

(9)。

在图5所示的控制体内，式中的积分线L由IC₆、IC₇、IC₁₀、IC₁₁的子线段L₁-₈组成。基于中点积分公式，线积分材料系数基于ic₁中心点进行近似计算，同时代入式(6)，则式(9)可化为：

(10)。

其中，n为围绕节点控制细网格的边个数，l _sj为细网格积分线段s _j的模。s _j为图5中以ic₁为中心的小网格的边，上式中的数值基函数的空间导数

和

采用形函数

(11)进行计算。其中，N _i和Ψ _i分别表示小网格ic1四个角点的形函数和数值基函数。

请参见图6，式(11)中全局坐标系（x,y）下形函数的空间导数转化到局部坐标（ξ,η）下，用公式表示为：

(12)。

其中，[J]为雅克比矩阵，雅克比矩阵的分量为：

(13)。

其中，x _i和y _i表示ic ₁四个顶点的全局坐标。

根据式(12)和式(13)，可得：

(14)。

将图6所示的积分线s ₁的中点的局部坐标①②③④代入式(14)，同时据此局部坐标计算积分线s ₁的长度以及单位外法矢量（n _x、n _y），即可得到式(10)。由于式(10)中的系数仅与细网格的网格参数和材料分布有关，因此，在数值计算前处理过程中仅需要进行一次存储，大大降低了数值计算耗时。

以图5所示的控制体的其余粗网格节点的系数采用式(10)获得。对不同控制体进行上述流程，可形成待解方程组。

最后，采用多重网格求解技术对待解方程组进行求解，可获得粗网格节点位置处的宏观位移分布，同时，之后结合式(8)获得细观位移分布，根据式(5)获得细观尺度应力。采用时间步进方式获得全时域细观、宏观位移和应力分布。

可见，本实施例提供的计算步骤充分考虑了复合材料的异质性和空间随机分布特征，该方案采用格点型FVM进行动力学方程以及数值基函数控制方程空间离散。粗网格、细网格以及单胞网格映射关系在前处理过程中仅做一次计算并存储，单胞数值基函数在前处理过程中进行并行式一次求解并存储，大幅度减少了求解耗时。整个求解过程可避免插值过程，能提高数值计算精度；同时，格点型FVM可自动满足解决复合材料交界面处应力数值不连续的问题，不需要对异质材料交界面处的材料参数进行额外计算，能提高复合材料力学响应预测精度。

相比于细观格点型FVM直接求解，本实施例中不同单元计算具有独立性，可采用并行技术获得不同粗网格内的材料以及宏细观位移映射关系，能大幅度降低计算耗时，提高计算效率。相比于多尺度渐进展开方法，本实施例具有尺度不分离特性，可更能直接体现细观尺度材料空间分布方式对宏、细观位移与应力分布的影响。

综上，本实施例结合复合材料的多尺度特征和随机分布特征，基于格点型FVM建立了跨尺度的力学特性预测方案，能够准确表征结构材料空间分布特征对结构力学特性的影响规律，据此规律有望于降低复合材料制成的防热结构的力学性能的设计时间，提高结构的有效承重能力，降低结构设计冗余。

下面对本申请实施例提供的一种材料力学特性评估装置进行介绍，下文描述的一种材料力学特性评估装置与上文描述的一种材料力学特性评估方法可以相互参照。

参见图7所示，本申请实施例公开了一种材料力学特性评估装置，包括：

获取模块701，用于获取针对同一复合材料构建的第一网格结构和第二网格结构；第一网格结构包括多个第一网格，第二网格结构包括多个第二网格，任一第二网格大于任一第一网格；

映射模块702，用于确定每个第二网格与多个第一网格之间的映射关系，并按照映射关系使每个第二网格映射有多个第一网格中的材料力学属性；

计算模块703，用于针对每个第二网格，确定当前第二网格的位移基函数，并利用位移基函数构建当前第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式；

构建模块704，用于构建同一网格顶点的位移与应力关系式，基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程；

评估模块705，用于基于所有位移求解方程得到第二网格结构中各网格顶点的位移，将第二网格结构中各网格顶点的位移填充至评估参数集，以利用填充后的评估参数集评估复合材料的力学特性。

在一种具体实施方式中，计算模块具体用于：

基于预设边界条件和位移基函数的控制方程确定当前第二网格的位移基函数；预设边界条件为：线性边界、过采样边界、周期边界或过采样周期边界。

；

在一种具体实施方式中，构建模块具体用于：

针对第二网格结构中的每个网格顶点，连接当前网格顶点所属的第二网格的边中点以及该网格顶点所属的第二网格的中心点，得到围绕该网格顶点的控制体，由此确定围绕第二网格结构中每个网格顶点的控制体；针对每个控制体，基于动力学方程、当前控制体覆盖的位移关系式以及当前控制体覆盖的位移与应力关系式，构建当前控制体对应的位移求解方程。

在一种具体实施方式中，还包括：

另一求解模块，用于基于任一第二网格对应的位移关系式以及该第二网格的各网格顶点的位移，计算该第二网格映射的任意第一网格的网格顶点的位移，由此得到第一网格结构中各网格顶点的位移；基于各位移与应力关系式和第一网格结构中各网格顶点的位移，计算第一网格结构中各网格顶点的应力；将第一网格结构中各网格顶点的应力和位移填充至评估参数集。

在一种具体实施方式中，还包括：

又一求解模块，用于基于各位移与应力关系式和第二网格结构中各网格顶点的位移，计算第二网格结构中各网格顶点的应力；将第二网格结构中各网格顶点的应力填充至评估参数集。

其中，关于本实施例中各个模块、单元更加具体的工作过程可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

可见，本实施例提供了一种材料力学特性评估装置，能够提高复合材料力学特性的计算效率和精度。

下面对本申请实施例提供的一种电子设备进行介绍，下文描述的一种电子设备与上文描述的一种材料力学特性评估方法及装置可以相互参照。

参见图8所示，本申请实施例公开了一种电子设备，包括：

存储器801，用于保存计算机程序；

处理器802，用于执行所述计算机程序，以实现上述任意实施例公开的方法。

下面对本申请实施例提供的一种可读存储介质进行介绍，下文描述的一种可读存储介质与上文描述的一种材料力学特性评估方法、装置及设备可以相互参照。

一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述实施例公开的材料力学特性评估方法。关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本申请涉及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的可读存储介质中。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims

1.一种材料力学特性评估方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

若所述第一网格结构中的各第一网格为周期型分布，则针对任一个第二网格进行材料力学属性的映射；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定当前第二网格的位移基函数，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，任一第二网格与其映射的任意第一网格之间的位移关系式为：

；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于积分格式的动力学方程、各位移关系式以及各位移与应力关系式构建所述第二网格结构中各网格顶点的位移求解方程，包括：

针对所述第二网格结构中的每个网格顶点，连接当前网格顶点所属的第二网格的边中点以及该网格顶点所属的第二网格的中心点，得到围绕该网格顶点的控制体，由此确定围绕所述第二网格结构中每个网格顶点的控制体；

针对每个控制体，基于所述动力学方程、当前控制体覆盖的位移关系式以及当前控制体覆盖的位移与应力关系式，构建当前控制体对应的位移求解方程。

6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述利用填充后的评估参数集评估所述复合材料的力学特性之前，还包括：

7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述利用填充后的评估参数集评估所述复合材料的力学特性之前，还包括：

8.一种材料力学特性评估装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的方法。