復(fù)雜裝備研發(fā)數(shù)字化工具中的計(jì)算力學(xué)和多場(chǎng)耦合若干前沿問(wèn)題

1、項(xiàng)目名稱：復(fù)雜裝備研發(fā)數(shù)字化工具中的計(jì)算力學(xué)和多場(chǎng)耦合若干前沿問(wèn)題首席科學(xué)家：張洪武 大連理工大學(xué)起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門(mén)：教育部 遼寧省科技廳一、研究?jī)?nèi)容重大工業(yè)裝備和現(xiàn)代化特種軍工裝備的設(shè)計(jì)和制造越來(lái)越趨向于集成化和多功能化，很多尖端高技術(shù)裝備也往往在多場(chǎng)耦合和極端條件等復(fù)雜和苛刻的環(huán)境下運(yùn)行。為了提高這些裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化設(shè)計(jì)工具的力學(xué)與多場(chǎng)耦合分析水平，需要我們研究和解決極端環(huán)境和多場(chǎng)耦合下復(fù)雜結(jié)構(gòu)服役行為的力學(xué)建模與數(shù)值模擬、極端瞬態(tài)條件下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)或多物質(zhì)波的精確數(shù)值求解、材料與結(jié)構(gòu)多時(shí)空尺度性能演變機(jī)理和數(shù)值分析、考慮多場(chǎng)耦合及不確定性的材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)

2、化設(shè)計(jì)等具有共性的科學(xué)問(wèn)題，而計(jì)算力學(xué)傳統(tǒng)的理論和算法難以有效地對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行處理，必須發(fā)展新的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)建模理論和數(shù)值方法?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本項(xiàng)目將重點(diǎn)針對(duì)四個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及其先進(jìn)研究成果的典型工程應(yīng)用開(kāi)展研究?？茖W(xué)問(wèn)題之一：多場(chǎng)耦合下材料與結(jié)構(gòu)強(qiáng)非線性復(fù)雜力學(xué)行為分析的建模理論和關(guān)鍵算法結(jié)構(gòu)毀傷和破壞是典型的多場(chǎng)作用下的復(fù)雜物理力學(xué)過(guò)程。特別是材料和結(jié)構(gòu)在強(qiáng)沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題是一個(gè)幾何、材料和邊界條件均為非線性的多場(chǎng)強(qiáng)耦合問(wèn)題，涉及高速、高壓、高溫、相變，氣體、液體和固體等多種物質(zhì)間相互耦合甚至混合，材料不但會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形和破碎，還會(huì)融化甚至汽化，基于網(wǎng)格的拉格朗日法難以有效模

3、擬。歐拉法不存在網(wǎng)格畸變問(wèn)題，但不易處理材料界面，且非線性對(duì)流項(xiàng)也會(huì)導(dǎo)致數(shù)值求解困難。因此，需要吸收拉格朗日法和歐拉法的優(yōu)點(diǎn)，克服網(wǎng)格畸變影響，提出能夠模擬材料破碎、融化和汽化等行為的有效數(shù)值方法。由此為計(jì)算力學(xué)和計(jì)算物理等學(xué)科領(lǐng)域帶來(lái)許多新的前沿科學(xué)問(wèn)題，包括：(1)伴隨熱相變的率相關(guān)熱塑性流動(dòng)、斷裂與損傷、應(yīng)變局部化、以及材料形態(tài)由連續(xù)向非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化的本構(gòu)模擬方法；(2) 材料在沖擊爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)及破碎、融化和汽化等非線性力學(xué)行為的建模理論與高效數(shù)值方法；(3) 受到高溫高壓作用的結(jié)構(gòu)破壞時(shí)氣體、液體和固體等多物質(zhì)相互作用的數(shù)值模型和求解方法；(4)瞬時(shí)高頻載荷作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響

4、應(yīng)分析的高精度快速算法等。為此設(shè)定以下研究課題：1）強(qiáng)沖擊荷載下結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程的建模與關(guān)鍵算法主要研究?jī)?nèi)容包括：a）高應(yīng)變率條件下材料的唯象和介觀相結(jié)合的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型；b）結(jié)構(gòu)毀傷和破壞的多物質(zhì)響應(yīng)有效數(shù)值方法；c）瞬時(shí)高頻載荷作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析理論和方法。具體內(nèi)容：以典型的多物質(zhì)界面和瞬態(tài)強(qiáng)間斷問(wèn)題中的非線性力學(xué)行為建模與數(shù)值模擬為對(duì)象開(kāi)展研究。發(fā)展引入微極體模型研究典型金屬材料高應(yīng)變率條件下的唯象和介觀相結(jié)合的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。發(fā)展沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過(guò)程多物質(zhì)響應(yīng)分析的理論框架、數(shù)值分析方法及并行計(jì)算軟件。研究多維高波數(shù)聲波傳播和高頻振動(dòng)問(wèn)題數(shù)值模擬的快速算法；研究大型動(dòng)力學(xué)方

5、程組的快速解法。科學(xué)問(wèn)題之二：材料與結(jié)構(gòu)熱力耦合非線性多尺度模型及一體化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵算法材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱、力耦合多尺度模型與算法研究是力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)與材料科學(xué)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，也是重大裝備研發(fā)中需要著重解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。材料與結(jié)構(gòu)在裂紋、空洞、夾雜、纖維取向、基體分布形態(tài)等方面具有內(nèi)在的不確定性，其損傷和破壞還表現(xiàn)為復(fù)雜的熱力耦合非線性多尺度力學(xué)行為。尺度間隙和跨尺度連接，涉及微-介-宏觀不同尺度間數(shù)學(xué)物理模型的聯(lián)系與差別等基本問(wèn)題，建立微/納米尺度的熱、力模型，揭示熱、力耦合的物理機(jī)制，發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)一體化的宏-細(xì)-微觀耦合的多尺度模型與算法，特別是針對(duì)高強(qiáng)度鋼板溫?zé)岢尚沃袩帷?/p>

6、力耦合等問(wèn)題，提出可靠的時(shí)-空多尺度模型與算法，具有重要理論與實(shí)際意義。其中，必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題有：(1)考慮材料不確定性和非線性的多尺度模型與算法；(2)尺度間隙與跨尺度連接中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題；(3)熱、力時(shí)-空多尺度耦合模型與算法。解決上述問(wèn)題的科學(xué)意義和本質(zhì)困難主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是現(xiàn)行的分子動(dòng)力學(xué)模擬、細(xì)觀力學(xué)模型和均勻化方法大都基于周期性（或周期性逼近）和確定性假設(shè)，尚缺乏考慮不確定性的多尺度模型和快速實(shí)用的算法；其二是發(fā)展熱、力耦合的非線性多尺度模型與算法比研究相應(yīng)的線性問(wèn)題要困難得多，同時(shí)尺度間隙和跨尺度連接涉及微/細(xì)/宏觀不同尺度間數(shù)學(xué)物理模型的聯(lián)系與差別等基本問(wèn)題，是提

7、出可靠的宏/細(xì)/微觀關(guān)聯(lián)模式的前提和難點(diǎn)。為此設(shè)定以下研究課題：1）材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱力耦合多尺度模型與算法主要研究?jī)?nèi)容包括：a）熱、力時(shí)-空多尺度耦合模型與算法；b）考慮不確定性和非線性的多尺度模型與算法；c）尺度間隙與跨尺度連接中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。具體內(nèi)容：考慮不確定性，發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)熱力耦合力學(xué)行為的多尺度統(tǒng)計(jì)模型與算法，研究材料微結(jié)構(gòu)演化與宏觀物性的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，揭示材料與結(jié)構(gòu)微/細(xì)觀、宏/細(xì)觀熱力耦合機(jī)理；發(fā)展材料非線性的傳遞模型與算法，研究尺度間隙和尺度不變性等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)典型的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展跨尺度連接模型與時(shí)空多尺度算法，針對(duì)高強(qiáng)度鋼板等典型材料與結(jié)構(gòu)的熱力耦合行為，將數(shù)值

8、模擬和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合建立和發(fā)展非線性多尺度本構(gòu)模型、計(jì)算方法和計(jì)算軟件，提出非線性多尺度損傷、破壞模型和強(qiáng)度判據(jù)?？茖W(xué)問(wèn)題之三：考慮不確定性和多功能的結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化方法高技術(shù)裝備與特種裝備的制造加工、日常服役和異常事故過(guò)程中，服役環(huán)境、材料性能、制造裝配誤差等不確定性的影響以及機(jī)械荷載與熱、電、磁、聲等多場(chǎng)耦合效應(yīng)的重要性日益凸顯，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相應(yīng)對(duì)極端環(huán)境與荷載作用下的剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)、可靠性等力學(xué)及多學(xué)科性能提出更高要求。需要結(jié)合各類不確定性的建模理論，發(fā)展考慮不確定性和多學(xué)科性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工程反問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型與高效數(shù)值方法。其中的前沿性科學(xué)問(wèn)題包括：(1)多場(chǎng)耦合下考慮不確定性度量與傳

9、播的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和方法；(2)高維工程問(wèn)題中滿足不同保真度要求的代理模型和空間映射的構(gòu)造方法；(3)基于特定數(shù)學(xué)力學(xué)特征的大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題和參數(shù)識(shí)別反問(wèn)題的建模與高效算法。在多種不同特征的不確定性共存的條件下，提出結(jié)構(gòu)多學(xué)科耦合性能優(yōu)化和反問(wèn)題的完備理論模型和可行的數(shù)值方法，是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵和難點(diǎn)。解決上述科學(xué)問(wèn)題，將豐富和發(fā)展考慮不確定性和多場(chǎng)耦合的優(yōu)化和反問(wèn)題的理論與方法。為此設(shè)定以下研究課題：1）考慮多場(chǎng)耦合與不確定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和反問(wèn)題方法主要研究?jī)?nèi)容包括：a）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論與不確定性傳播算法；b）考慮不確定性和多場(chǎng)耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法；c

10、）結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化中代理模型和空間映射的構(gòu)造方法；d）考慮不確定性的非線性工程反問(wèn)題建模及正則化方法。具體內(nèi)容：針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨時(shí)空演變的不同特征的大范圍變異和多源不確定性，研究不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論與不確定性傳播算法；研究多層嵌套優(yōu)化的解耦理論和基于近似模型技術(shù)的不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，建立設(shè)計(jì)空間及不確定域的更新機(jī)制和高維近似模型精度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。研究高效代理模型技術(shù)及空間映射方法在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程反問(wèn)題中實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，提出不確定性的非線性工程反問(wèn)題建模及正則化方法。科學(xué)問(wèn)題之四：新一代集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模式計(jì)算力學(xué)軟件是裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化工具

11、的重要組成部分，是先進(jìn)力學(xué)和多場(chǎng)耦合分析的理論和方法與工程應(yīng)用間的橋梁。計(jì)算力學(xué)軟件的研發(fā)曾經(jīng)引領(lǐng)軟件工程的理論和技術(shù)發(fā)展，但隨后其發(fā)展方向更注重算法與功能實(shí)現(xiàn)。目前軟件設(shè)計(jì)理論和技術(shù)已得到了長(zhǎng)足發(fā)展，提出了面向?qū)ο?構(gòu)件/服務(wù)及軟件體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)模式等的理論和方法，計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)充分結(jié)合現(xiàn)代軟件技術(shù)，發(fā)展新一代計(jì)算力學(xué)軟件的設(shè)計(jì)理論。計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)是包括大量多類型數(shù)據(jù)、通用數(shù)值算法、復(fù)雜計(jì)算任務(wù)管理，以及多核/分布/并行計(jì)算技術(shù)的軟件系統(tǒng)，需發(fā)展相關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)理論。計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的研究中涉及大量相似的軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題，需尋求這些問(wèn)題的統(tǒng)一解決方案和軟件實(shí)現(xiàn)途徑。關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)

12、題是：(1)面向計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)和算法庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法；(2)新一代計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)中數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)、集成計(jì)算環(huán)境的軟件體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)模式。其中，發(fā)展?jié)M足開(kāi)放性、可擴(kuò)展性的計(jì)算力學(xué)軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和方法、提出實(shí)現(xiàn)集成化的計(jì)算力學(xué)軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、建立面向多尺度-多場(chǎng)耦合的集成計(jì)算環(huán)境是具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。為此設(shè)定以下研究課題：1）新一代集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)理論和方法主要研究?jī)?nèi)容包括：a）計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的支撐技術(shù)；b）結(jié)構(gòu)-多場(chǎng)耦合與多尺度有限元分析軟件設(shè)計(jì)理論；c）集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法。具體內(nèi)容：研究計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)所涉及的數(shù)據(jù)模型及管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和

13、實(shí)施方案、通用高性能數(shù)值算法庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、框架設(shè)計(jì)方案以及算法類泛型編程技術(shù)和相關(guān)的設(shè)計(jì)模式，發(fā)展算法模塊集成技術(shù)。針對(duì)多物理耦合場(chǎng)和多尺度計(jì)算，研究相應(yīng)的有限元分析軟件設(shè)計(jì)方案，提出耦合場(chǎng)問(wèn)題多類變量整體方程的通用求解技術(shù)和發(fā)展多尺度計(jì)算方法的軟件實(shí)施技術(shù)。發(fā)展開(kāi)放式的數(shù)值模擬軟件設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研究軟件平臺(tái)基于“微核心+插件”模式的體系結(jié)構(gòu)以及建立面向已有軟件系統(tǒng)或可執(zhí)行程序的集成計(jì)算環(huán)境并對(duì)數(shù)值計(jì)算的工作流可視化驗(yàn)證技術(shù)。典型應(yīng)用研究：基礎(chǔ)研究成果與特色對(duì)象建模和分析手段的結(jié)合針對(duì)基于以上四個(gè)科學(xué)問(wèn)題研究成果的工程應(yīng)用研究，分別以典型的先進(jìn)民用裝備和國(guó)防特種裝備為研究對(duì)象，對(duì)車輛輕

14、量化制造所涉及的結(jié)構(gòu)件高強(qiáng)度板熱成形理論和仿真方法、輕量化設(shè)計(jì)所涉及的碰撞安全性的不確定性優(yōu)化問(wèn)題、高應(yīng)變率下含能材料結(jié)構(gòu)和防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷分析等關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行研究，在解決重大工程問(wèn)題的同時(shí)為這些基礎(chǔ)性研究成果提供效果驗(yàn)證。為此設(shè)定以下研究課題：1）車身鋼板輕量化與碰撞安全性的數(shù)字化設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容包括：a）高強(qiáng)度鋼板熱成形理論和仿真方法；b）車輛碰撞安全性設(shè)計(jì)的不確定性優(yōu)化。具體內(nèi)容：研究汽車車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件溫?zé)岢尚喂に嚨奈⒂^相變特性及多場(chǎng)耦合本構(gòu)理論、熱-力-相變相關(guān)及熱邊界接觸非線性大變形有限元計(jì)算方法。發(fā)展車輛碰撞安全性的高效不確定性優(yōu)化算法以及基于統(tǒng)計(jì)理論或非概率凸集理論的碰撞安全

15、性響應(yīng)分析，為車輛輕量化提供理論基礎(chǔ)。2）特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷與服役過(guò)程安全性的數(shù)值仿真主要研究?jī)?nèi)容包括：a）含能材料結(jié)構(gòu)在高空跌落環(huán)境中的安全性分析方法；b）爆炸沖擊載荷作用下特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)分析；c）爆炸載荷作用下目標(biāo)結(jié)構(gòu)的防護(hù)分析。具體內(nèi)容：針對(duì)一種典型的含能材料結(jié)構(gòu)-多層組合緩沖吸能結(jié)構(gòu)，深入研究顆粒、纖維、泡沫材料的宏細(xì)觀物理建模以及含能材料結(jié)構(gòu)的沖擊安全性等問(wèn)題。研究大型水面艦艇、地下深層工事等特種裝備結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的毀傷機(jī)理，建立毀傷的計(jì)算力學(xué)模型，研究多物質(zhì)界面相互作用機(jī)理及高效數(shù)值算法。發(fā)展非接觸水下爆炸流體載荷和目標(biāo)結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，研究目標(biāo)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)

16、理，建立目標(biāo)整體毀傷的計(jì)算力學(xué)模型。二、預(yù)期目標(biāo)1 本項(xiàng)目的總體目標(biāo) 本項(xiàng)目以解決重大裝備產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的力學(xué)和多場(chǎng)耦合分析與設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為目標(biāo)，瞄準(zhǔn)基本理論、先進(jìn)數(shù)值方法和軟件平臺(tái)研究等方面的國(guó)際前沿，開(kāi)展創(chuàng)新性研究，推動(dòng)我國(guó)計(jì)算力學(xué)及其軟件平臺(tái)基礎(chǔ)性研究工作的開(kāi)展，初步形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代大規(guī)模計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)，為復(fù)雜裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。同時(shí)，項(xiàng)目將培養(yǎng)高水平計(jì)算力學(xué)人才，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。2 五年預(yù)期目標(biāo) 1）在理論、方法與應(yīng)用方面（1）對(duì)傳統(tǒng)理論體系與計(jì)算模型進(jìn)行改造，在處理強(qiáng)沖擊載荷下材料與結(jié)構(gòu)大變形、移動(dòng)界面和強(qiáng)間斷問(wèn)題的求解算法研究方面取得突破

17、。形成沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過(guò)程數(shù)值仿真的并行計(jì)算軟件平臺(tái)，計(jì)算規(guī)模達(dá)到1.5億自由度。（2）在材料與結(jié)構(gòu)熱、力耦合行為的非線性多尺度本構(gòu)模型，尺度間隙及跨尺度連接模型與算法研究等方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為材料與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)提供可靠的理論模型與算法。（3）在不確定性度量與傳播理論、不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化與反問(wèn)題理論和方法以及多場(chǎng)耦合下特定功能材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的建模和算法方面取得國(guó)際先進(jìn)水平的創(chuàng)新成果。（4）在集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面，將在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的研制方面取得跨越式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)上億自由度的結(jié)構(gòu)有限元問(wèn)題計(jì)算，建立多尺度-多場(chǎng)計(jì)算力學(xué)集

18、成軟件框架。（5）為我國(guó)汽車工業(yè)中安全與節(jié)能汽車設(shè)計(jì)制造的數(shù)值模擬提供理論和方法，形成自主研發(fā)的熱成形數(shù)值仿真cae軟件系統(tǒng)，建立汽車碰撞安全性的不確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。（6）研發(fā)出通用的爆炸沖擊載荷作用下特種裝備和防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)的仿真軟件，軟件總體功能達(dá)到國(guó)際一流水平，求解規(guī)模達(dá)到上億自由度。2）本項(xiàng)目研究工作將發(fā)表一批高水平的論文，其中國(guó)際期刊論文150篇，國(guó)內(nèi)核心期刊論文150篇，出版專著5部。3）申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng)，取得軟件著作權(quán)15項(xiàng)。4）培養(yǎng)一批科研骨干人員，包括培養(yǎng)青年教師20人，博士后10人，博士生50人，碩士生60人。在國(guó)內(nèi)培養(yǎng)并穩(wěn)定一支在重大裝備結(jié)構(gòu)分析與數(shù)字化工具研制的

19、計(jì)算力學(xué)問(wèn)題研究方面的專業(yè)化人才隊(duì)伍。三、研究方案1 學(xué)術(shù)思路本項(xiàng)目的學(xué)術(shù)思路是面向重大工程與裝備結(jié)構(gòu)自主創(chuàng)新研發(fā)的國(guó)家需求，瞄準(zhǔn)重大民用與軍工裝備結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題中的計(jì)算力學(xué)共性前沿問(wèn)題，從宏觀分析、細(xì)觀與多尺度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及集成化計(jì)算軟件平臺(tái)研制的系統(tǒng)化研究角度凝練出4個(gè)關(guān)鍵性基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置6個(gè)研究課題，課題之間研究?jī)?nèi)容形成有機(jī)整體，在技術(shù)上相互支持，相互促進(jìn)。本項(xiàng)目將凝聚國(guó)內(nèi)計(jì)算力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的高水平研究團(tuán)隊(duì)，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上圍繞關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題有針對(duì)性地開(kāi)展前沿研究，依托新型工程科學(xué)計(jì)算平臺(tái)發(fā)展復(fù)雜裝備結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)的完整理論體系和若干有特色的高效數(shù)值算法，支撐面向

20、典型工程應(yīng)用的專業(yè)化軟件系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的總體目標(biāo)。2 技術(shù)途徑1）在多場(chǎng)作用下復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的模型構(gòu)建方面，將以現(xiàn)代連續(xù)介質(zhì)理論（如微極連續(xù)體理論、非局部本構(gòu)模型）以及動(dòng)網(wǎng)格生成技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行模型構(gòu)建；以保辛和保結(jié)構(gòu)的精細(xì)積分算法為基礎(chǔ)，研究提高極端時(shí)間尺度下動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析效率，并處理變動(dòng)邊界等問(wèn)題；以具有效率優(yōu)勢(shì)的物質(zhì)點(diǎn)法為基礎(chǔ)，并結(jié)合伴隨熱相變的率相關(guān)熱塑性流動(dòng)以及材料形態(tài)由連續(xù)向非連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化的本構(gòu)模擬方法，發(fā)展高溫高壓沖擊載荷作用下多場(chǎng)耦合的多物質(zhì)響應(yīng)與不同介質(zhì)間的運(yùn)動(dòng)分析的有效數(shù)值方法；以新型自然坐標(biāo)和等參坐標(biāo)混合插值的高性能有限元模型為基礎(chǔ)，建立精度高、抗網(wǎng)格畸變性能好的新

21、型有限元模型；為提高計(jì)算規(guī)模，采用空間區(qū)域分解技術(shù)和多cpu多核集群的openmp-mpi混合并行技術(shù)，建立相應(yīng)的并行計(jì)算技術(shù)及程序。2）在材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱、力耦合多尺度模型與算法研究方面，分兩步實(shí)施從微觀到細(xì)觀再到宏觀，涉及不同層次的物理模型和不同尺度結(jié)構(gòu)表征，即微觀與細(xì)觀的耦合、細(xì)觀與宏觀的耦合。采用不同模型的粗粒化或平均化方法，逐級(jí)遞推的計(jì)算不同細(xì)觀和宏觀尺度下的材料參數(shù)；而結(jié)構(gòu)的熱、力行為的多尺度計(jì)算則從宏觀平均場(chǎng)方程出發(fā)，沿著從宏觀到細(xì)觀再到微觀，利用不同數(shù)學(xué)模型下的多尺度漸近展開(kāi)技術(shù)，逐級(jí)遞推地計(jì)算宏觀、細(xì)觀乃至微觀尺度下的物理、力學(xué)場(chǎng)的局部漲落。結(jié)合原子級(jí)有限元的快速靜力平衡

22、特性和分子動(dòng)力學(xué)的溫度特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有限溫度準(zhǔn)靜態(tài)載荷下原子系統(tǒng)的模擬，通過(guò)將原子級(jí)有限元與其它有限元方法結(jié)合來(lái)發(fā)展一套能計(jì)算機(jī)械載荷的多尺度計(jì)算方法。在尺度間隙和尺度不變性理論研究上，先分析量子力學(xué)與分子動(dòng)力學(xué)的尺度間隙，然后作進(jìn)一步的擴(kuò)展。重點(diǎn)研究彈性常數(shù)、晶格常數(shù)和介電常數(shù)等物理參數(shù)的尺度不變特性。3）在考慮不確定性和多功能的結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題研究中，針對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同物理特征的大范圍變異和多源不確定性，發(fā)展和完善不確定性的建模理論和模型構(gòu)造方法，基于代理模型實(shí)現(xiàn)不確定性傳播的高效算法。將凸模型或區(qū)間模型應(yīng)用于不確定但有界參數(shù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和反問(wèn)題中，通過(guò)研究雙層次嵌套優(yōu)化模型的解耦理

23、論和問(wèn)題的正則化方法，結(jié)合特定問(wèn)題的數(shù)學(xué)物理特征實(shí)現(xiàn)有效數(shù)值求解。4）在新一代集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與研發(fā)中，采用面向?qū)ο?面向構(gòu)件/面向服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)模式概念，完成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與核心功能模塊的設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性問(wèn)題。通過(guò)采用軟件插件技術(shù)、腳本語(yǔ)言、xml語(yǔ)言建立系統(tǒng)集成環(huán)境、接口標(biāo)準(zhǔn)與代碼規(guī)范。結(jié)合大規(guī)模數(shù)據(jù)管理技術(shù)，應(yīng)用多線程/分布/并行/網(wǎng)格等先進(jìn)計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)力學(xué)問(wèn)題的上億自由度結(jié)構(gòu)有限元分析能力?；诂F(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的發(fā)展，特別是在宏微細(xì)觀計(jì)算領(lǐng)域所發(fā)展的一系列基礎(chǔ)理論與科學(xué)計(jì)算算法為基礎(chǔ)，結(jié)合多重多級(jí)子結(jié)構(gòu)技術(shù)及子結(jié)構(gòu)周游樹(shù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算力學(xué)軟件中多

24、尺度、多層次的物理場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值建模和分析。5）在結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合強(qiáng)非線性分析、材料結(jié)構(gòu)熱力耦合多尺度分析、多場(chǎng)耦合下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中所建立的基礎(chǔ)理論與高性能算法將進(jìn)一步結(jié)合典型對(duì)象開(kāi)展工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在解決重大工程問(wèn)題的同時(shí)檢驗(yàn)和發(fā)展這些理論與算法成果。本項(xiàng)目結(jié)合國(guó)家重大需求，選取車輛設(shè)計(jì)制造、特種裝備結(jié)構(gòu)研發(fā)這兩個(gè)典型工程背景，分別開(kāi)展多場(chǎng)耦合及不確定性優(yōu)化在車輛工程中的應(yīng)用研究和特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷與服役過(guò)程安全性的數(shù)值仿真研究。其中，將主要解決共性基礎(chǔ)研究成果與特色研究對(duì)象建模手段的結(jié)合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)模擬為主、實(shí)驗(yàn)為輔模式下特定裝備對(duì)象服役與失效機(jī)理和響應(yīng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)和描述，為工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技

25、術(shù)支撐。3 創(chuàng)新點(diǎn)與特色本項(xiàng)目的創(chuàng)新性和特色主要體現(xiàn)在以下方面：1）本項(xiàng)目的研究將體現(xiàn)出多學(xué)科交叉和融合，吸納現(xiàn)代力學(xué)（特別是爆炸力學(xué)、斷裂力學(xué)與彈塑性力學(xué)）、數(shù)學(xué)（特別是計(jì)算數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)）、凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)和軟件科學(xué)（特別是三維圖形學(xué)與軟件工程）的先進(jìn)成果，發(fā)展具有一定普適性的先進(jìn)計(jì)算模型與算法。2）考慮多場(chǎng)耦合作用效應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算力學(xué)模型的改造具有重要的創(chuàng)新性。基于現(xiàn)代連續(xù)介質(zhì)理論的強(qiáng)非線性、強(qiáng)間斷問(wèn)題等的研究成果將處于國(guó)際前沿，爆炸與沖擊問(wèn)題中流體彈塑性動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型的建立將考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形和破斷、結(jié)構(gòu)材料在高速率下變形的粘塑性行為，所提出的基于euler型多物質(zhì)界面處理方法和

26、高精度、高分辨率差分格式和自適應(yīng)網(wǎng)格計(jì)算方法具有明顯的創(chuàng)新?；陟o力顯式的熱-力-相變多場(chǎng)和多尺度耦合本構(gòu)模型和相應(yīng)的大變形有限元軟件，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位；所建立的非接觸水下爆炸cae計(jì)算方法和軟件實(shí)現(xiàn)，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)的空白，打破國(guó)外對(duì)我國(guó)的封鎖。3）材料與結(jié)構(gòu)瞬態(tài)熱力耦合行為的非線性多尺度本構(gòu)模型及算法、考慮不確定性材料與結(jié)構(gòu)熱力耦合行為的多尺度統(tǒng)計(jì)模型與算法、一般性的流體結(jié)構(gòu)耦合時(shí)間多重尺度方法、基于分子動(dòng)力學(xué)/有限元跨尺度連接模型的時(shí)-空多尺度算法等均是材料與結(jié)構(gòu)一體化的多尺度分析中極具挑戰(zhàn)性的研究課題，也是本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色。4）針對(duì)不確定性結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于多源不確定性的新

27、型建模理論開(kāi)展多場(chǎng)耦合下結(jié)構(gòu)與多學(xué)科功能可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)和魯棒性優(yōu)化設(shè)計(jì)理論框架與算法的創(chuàng)新研究，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的一個(gè)重要前沿課題。開(kāi)展多場(chǎng)耦合下特定功能材料或結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法研究，也具有明顯的創(chuàng)新性。5）在大型計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的研究中，綜合采用面向?qū)ο?、軟件體系結(jié)構(gòu)、和插件技術(shù)的研究工作還未見(jiàn)報(bào)道。在計(jì)算力學(xué)數(shù)值算法的實(shí)現(xiàn)方面，本項(xiàng)目突破傳統(tǒng)的“算法+數(shù)據(jù)”設(shè)計(jì)思想，采用“算法+模式”的設(shè)計(jì)方法。所開(kāi)發(fā)的面向多場(chǎng)耦合分析的多尺度計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)與國(guó)際現(xiàn)有計(jì)算力學(xué)軟件相比將具有明顯的創(chuàng)新性和特色。6）項(xiàng)目的理論與方法研究成果將應(yīng)用于車輛工程和特種裝備兩個(gè)典型工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝備研發(fā)中從“以實(shí)

28、驗(yàn)為主、模擬為輔”的研究模式向“以模擬為主、實(shí)驗(yàn)為必要補(bǔ)充”的研究模式的轉(zhuǎn)變，在同類工程對(duì)象的研究中具有一定特色，也符合我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情。4 可行性分析本項(xiàng)目取得重大突破的可行性因素包括：1) 本項(xiàng)目選題瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，尤其是裝備制造業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力的發(fā)展戰(zhàn)略為本項(xiàng)目的研究提供了前所未有的機(jī)遇。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期醞釀、廣泛調(diào)研與充分考慮，制定了詳盡的技術(shù)路線。2) 本項(xiàng)目有組成合理的研究隊(duì)伍，擁有“計(jì)算力學(xué)與工程科學(xué)計(jì)算”國(guó)家創(chuàng)新研究群體，研究骨干由國(guó)內(nèi)計(jì)算固體力學(xué)、新型算法、爆炸力學(xué)、實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)、制造工藝力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的高水平人才組成，包括4名國(guó)家杰出青年基金獲得者和多名優(yōu)秀中青年學(xué)者。研究

29、團(tuán)隊(duì)在工程與科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域有國(guó)際水平的研究工作，得到國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。3) 項(xiàng)目承擔(dān)單位擁有良好的研究環(huán)境，擁有工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科學(xué)與工程計(jì)算國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研究基地，有一流的計(jì)算機(jī)軟硬件條件，為項(xiàng)目的完成提供了保障。4) 本項(xiàng)目是在已經(jīng)完成的多個(gè)前期重要相關(guān)基礎(chǔ)性科研項(xiàng)目的實(shí)施基礎(chǔ)上提出，研究團(tuán)隊(duì)在計(jì)算力學(xué)與多場(chǎng)耦合基本理論、算法以及cae軟件方面積累了豐富的研究成果。這些前期項(xiàng)目主要包括：l 計(jì)算力學(xué)與工程科學(xué)計(jì)算（國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金）l 耦合系統(tǒng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和數(shù)值方法（國(guó)家自然科

30、學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目）l 多向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論研究（國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目）l 超輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新理論（國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目）l 多孔多相材料的非線性與失效分析（國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金）l 多重物理現(xiàn)象的建模與仿真（國(guó)家杰出青年科學(xué)基金b類）主要承擔(dān)單位依托良好的研究條件和研究基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容開(kāi)展攻關(guān)研究，本項(xiàng)目將有充分的保障在關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題上取得突破，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的研究目標(biāo)。5 課題設(shè)置項(xiàng)目圍繞重大裝備設(shè)計(jì)中的計(jì)算力學(xué)共性前沿問(wèn)題和特色裝備對(duì)象應(yīng)用研究中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，共設(shè)置6個(gè)課題。其中前三個(gè)課題主要從宏觀層次分析、微細(xì)觀與多尺度分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等三個(gè)主要方面研究

31、重大裝備設(shè)計(jì)中的計(jì)算力學(xué)共性前沿科學(xué)問(wèn)題；第4課題則針對(duì)重大裝備設(shè)計(jì)與制造數(shù)字化工具中對(duì)力學(xué)與多場(chǎng)耦合計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)的需求，進(jìn)行計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)研究，集成前三個(gè)課題的成果，并為項(xiàng)目的第5、6課題典型工程應(yīng)用研究建立基礎(chǔ)軟件平臺(tái)；第5、6兩個(gè)課題則是將前4個(gè)課題的成果在典型民用裝備和國(guó)防特種裝備中進(jìn)行專業(yè)化應(yīng)用研究，并反過(guò)來(lái)為前四個(gè)課題研究提供具有針對(duì)性的科學(xué)問(wèn)題。形成課題研究?jī)?nèi)容間相互依存，共同發(fā)展的態(tài)勢(shì)。具體如下：課題1：針對(duì)第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題設(shè)置，研究多場(chǎng)耦合下復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的數(shù)值模擬，解決復(fù)雜環(huán)境下裝備結(jié)構(gòu)的建模和關(guān)鍵算法問(wèn)題。課題2：針對(duì)第二個(gè)科學(xué)問(wèn)題設(shè)置，重點(diǎn)

32、發(fā)展新的多尺度建模理論與方法以揭示材料與結(jié)構(gòu)一體化分析中的多尺度行為規(guī)律與失效機(jī)理。課題3：圍繞第三個(gè)科學(xué)問(wèn)題設(shè)置，從不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化和考慮多功能的材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面研究重大裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)前沿問(wèn)題，并發(fā)展工程反問(wèn)題的理論與方法。課題4：研究復(fù)雜數(shù)值模擬科學(xué)計(jì)算平臺(tái)開(kāi)發(fā)的相關(guān)理論與前沿支撐技術(shù)，為前3個(gè)課題的理論與算法研究成果提供集成平臺(tái)，初步構(gòu)建聯(lián)接基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的橋梁。課題5和課題6：分別以典型的先進(jìn)民用裝備和國(guó)防特種裝備為研究對(duì)象，將前4個(gè)課題的基礎(chǔ)研究成果與特色對(duì)象的建模和分析手段相結(jié)合，對(duì)車輛覆蓋件高強(qiáng)鋼板溫?zé)岢尚沃械亩喑叨葻崃︸詈媳緲?gòu)模型、考慮不確定性的汽車碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)、高應(yīng)變率

33、下含能材料結(jié)構(gòu)和防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷分析等關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行研究，在解決重大工程問(wèn)題的同時(shí)為這些基礎(chǔ)性研究成果提供效果驗(yàn)證。項(xiàng)目中課題設(shè)置思路如圖1所示。圖1 課題設(shè)置思路課題1：強(qiáng)沖擊荷載下結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程的建模與關(guān)鍵算法預(yù)期目標(biāo)：建立高應(yīng)變率條件下材料唯象和介觀相結(jié)合的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型構(gòu)造方法，建立沖擊爆炸載荷作用下多物質(zhì)響應(yīng)分析的統(tǒng)一理論框架和數(shù)值分析方法，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)毀傷和破壞過(guò)程的數(shù)值仿真平臺(tái)，以模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)在沖擊爆炸載荷作用下的毀傷和破壞行為，為防護(hù)工程設(shè)計(jì)、國(guó)防裝備研發(fā)和公共安全等領(lǐng)域提供技術(shù)支撐平臺(tái)。研究?jī)?nèi)容：1）高應(yīng)變率條件下材料的唯象和介觀相結(jié)合的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型考慮急速剪切作用條件下的材料微

34、轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的慣性行為的影響，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果引入微極體模型研究典型金屬材料高應(yīng)變率條件下的唯象和介觀相結(jié)合的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，以及由于高溫高壓作用對(duì)異質(zhì)物體界面本構(gòu)、強(qiáng)間斷發(fā)生時(shí)的材料間斷面本構(gòu)的影響。研究微極連續(xù)體理論框架下的單元構(gòu)建、本構(gòu)關(guān)系的有效積分方法；研究對(duì)于多相介質(zhì)耦合的分岔行為分析與網(wǎng)格非依賴性的本構(gòu)關(guān)系的算法實(shí)施。2）結(jié)構(gòu)毀傷和破壞的多物質(zhì)響應(yīng)有效數(shù)值方法針對(duì)沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過(guò)程數(shù)值模擬問(wèn)題，改進(jìn)拉格朗日有限元法、歐拉有限差分法和粒子類方法，綜合這幾類方法建立沖擊爆炸載荷作用下多物質(zhì)響應(yīng)分析的統(tǒng)一理論框架和數(shù)值分析方法，用多cpu多核集群的openmp-mpi混合并行

35、技術(shù)，建立沖擊爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)毀傷和破壞全過(guò)程數(shù)值仿真的并行計(jì)算軟件。3）瞬時(shí)高頻載荷作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析理論和方法研究多維高波數(shù)聲波傳播和高頻振動(dòng)問(wèn)題數(shù)值模擬的快速算法，發(fā)展對(duì)復(fù)雜激勵(lì)源問(wèn)題僅需邊界離散且能生成對(duì)稱離散系數(shù)矩陣的高精度、高效率的穩(wěn)定數(shù)值方法，為計(jì)算有限域和無(wú)限域問(wèn)題提供統(tǒng)一有效的方法；研究大型動(dòng)力學(xué)方程組的快速解法。承擔(dān)單位：清華大學(xué)、北京大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：張雄經(jīng)費(fèi)比例：15.1%課題2：材料與結(jié)構(gòu)一體化的熱力耦合多尺度模型與算法預(yù)期目標(biāo)：結(jié)合數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)建立和發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)熱、力耦合的非線性多尺度本構(gòu)模型，在尺度間隙和尺度不變性等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題上取得實(shí)質(zhì)性突破；提出新的跨尺

36、度連接模型；基于非線性多尺度本構(gòu)模型和跨尺度連接模型，發(fā)展相應(yīng)的高性能并行算法；針對(duì)典型的高強(qiáng)度鋼板、復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的熱、力耦合行為，提出從原子尺度到晶粒團(tuán)簇再到宏觀非均質(zhì)的多尺度模型和算法，發(fā)展相關(guān)軟件，為相關(guān)材料與結(jié)構(gòu)的性能預(yù)測(cè)和一體化設(shè)計(jì)提供可靠的理論基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容：1）熱、力時(shí)-空多尺度耦合模型與算法基于周期性和隨機(jī)性假設(shè)，研究材料微、細(xì)結(jié)構(gòu)演化、交互作用，討論由材料微結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)與尺度律，研究微結(jié)構(gòu)演化與宏觀物性的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。揭示材料與結(jié)構(gòu)微/細(xì)觀、宏/細(xì)觀熱、力耦合機(jī)理，提出在服役過(guò)程中材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的熱、力耦合時(shí)-空多尺度模型與算法。針對(duì)高強(qiáng)度鋼板等典型材料與結(jié)構(gòu)的熱、力耦

37、合行為，建立和發(fā)展考慮宏/細(xì)觀關(guān)聯(lián)的非線性本構(gòu)模型、多尺度計(jì)算方法和軟件。2）考慮不確定性和非線性的多尺度模型與算法考慮裂紋、空洞、夾雜、纖維取向、基體分布形態(tài)等不確定性，發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)熱、力耦合力學(xué)行為的多尺度統(tǒng)計(jì)模型與算法。發(fā)展材料與結(jié)構(gòu)損傷、破壞中材料非線性的傳遞模型與算法，并針對(duì)高強(qiáng)度鋼板等典型材料與結(jié)構(gòu)，建立和發(fā)展非線性損傷、破壞模型和多尺度強(qiáng)度判據(jù)。3）尺度間隙與跨尺度連接中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究從微觀到宏觀不同尺度下數(shù)學(xué)物理模型的尺度間隙等基本理論問(wèn)題，重點(diǎn)發(fā)展微/納米尺度下熱、力耦合模型，探討平衡態(tài)和非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的尺度效應(yīng)。研究跨尺度連接模型與時(shí)空多尺度算法，提出原子級(jí)有限元

38、方法應(yīng)用到對(duì)原子系統(tǒng)有限溫度下準(zhǔn)靜態(tài)模擬，重點(diǎn)解決網(wǎng)格的匹配與過(guò)渡區(qū)邊界條件，提出處理時(shí)間多尺度的有效方案，實(shí)現(xiàn)與原子級(jí)有限元在統(tǒng)一框架下進(jìn)行多尺度有限元計(jì)算。并針對(duì)典型的復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)，提出跨尺度連接模型與時(shí)空多尺度算法。承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院、河海大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：曹禮群經(jīng)費(fèi)比例：15.1%課題3：考慮多場(chǎng)耦合與不確定性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和反問(wèn)題方法預(yù)期目標(biāo)：本課題針對(duì)重大裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前沿研究領(lǐng)域中具有挑戰(zhàn)性的不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化及反問(wèn)題和考慮多尺度、多場(chǎng)耦合行為的結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化問(wèn)題開(kāi)展創(chuàng)新性研究。將基于工程問(wèn)題中各類不確定性的概率與非概率建模理論，發(fā)展和完善不確定性傳播的高

39、效率算法以及結(jié)構(gòu)可靠性與魯棒性優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論和方法；提出多場(chǎng)耦合條件下實(shí)現(xiàn)特定功能的材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化模型與數(shù)值算法，為高科技工業(yè)裝備和先進(jìn)結(jié)構(gòu)體系的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供算法支持。研究?jī)?nèi)容：1）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論與不確定性傳播算法針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨時(shí)空演變的不同特征的大范圍變異和多源不確定性，研究不確定性的建模理論和模型參數(shù)的近似構(gòu)造算法與驗(yàn)證方法。研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合響應(yīng)的不確定性傳播的快速計(jì)算。在概率模型描述的框架下，重點(diǎn)研究基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)降維模型實(shí)現(xiàn)不確定性傳播計(jì)算中高維數(shù)值積分等的高效求解。在區(qū)間、凸模型等非概率描述的框架下，研究不確定性參數(shù)最不利組合搜

40、索算法及力學(xué)與多學(xué)科響應(yīng)的界限分析。2）考慮不確定性和多場(chǎng)耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法基于概率與非概率凸集模型發(fā)展不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論與方法。研究多層嵌套優(yōu)化的解耦理論和基于近似模型技術(shù)的不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，建立設(shè)計(jì)空間及不確定域的更新機(jī)制和高維近似模型精度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。研究多場(chǎng)耦合下能夠?qū)崿F(xiàn)綜合功能要求的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系構(gòu)型設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方法?；谔囟ńY(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的物理特征和數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)展具有超常規(guī)收斂性的優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)造理論及中大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題的高效求解算法。3）結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化中代理模型和空間映射的構(gòu)造方法研究高效代理模型技術(shù)及空間映射方法在大規(guī)模復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工程反問(wèn)題中實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)

41、。研究各代理模型在效率、非線性擬合能力、與非線性優(yōu)化算法的嵌套能力等方面的特點(diǎn)，給出適用性判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)樣本點(diǎn)信息選擇合適代理模型，發(fā)展結(jié)構(gòu)響應(yīng)近似理論和空間映射的構(gòu)造方法及模型修正技術(shù)。研究適于并行計(jì)算的高效結(jié)構(gòu)重分析方法，以及基于逐步加密近似模型技術(shù)和變復(fù)雜度技術(shù)的非線性優(yōu)化方法等。4）考慮不確定性的非線性工程反問(wèn)題建模及正則化方法考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的不確定參數(shù)的影響，研究有效的多宗量不確定反問(wèn)題理論和方法，發(fā)展基于概率和非概率凸集模型的不確定性反問(wèn)題模型，建立相應(yīng)的泛函極值問(wèn)題。研究高效的大規(guī)模不確定性正問(wèn)題模型，建立輸入與輸出統(tǒng)計(jì)量或凸集之間的映射關(guān)系，研究基于統(tǒng)計(jì)理論的反問(wèn)題模型。研究基

42、于tikhonov泛函的不確定性反問(wèn)題的正則化技術(shù)。承擔(dān)單位：大連理工大學(xué)、湖南大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：亢戰(zhàn)經(jīng)費(fèi)比例：15.1%課題4：新一代集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)理論和方法預(yù)期目標(biāo)：建立面向計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)及其支撐子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、軟件標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，發(fā)展計(jì)算力學(xué)通用數(shù)值算法及計(jì)算任務(wù)管理的設(shè)計(jì)模式。實(shí)現(xiàn)tb數(shù)量級(jí)的計(jì)算力學(xué)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，建立多尺度-多場(chǎng)耦合計(jì)算力學(xué)集成軟件框架，初步構(gòu)建達(dá)上億自由度求解能力的集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)。研究?jī)?nèi)容：1）計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)的支撐技術(shù)研究計(jì)算力學(xué)數(shù)據(jù)模型及管理系統(tǒng)，提出可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)接口；研究面向大規(guī)模計(jì)算的數(shù)據(jù)管理算法和分布式存儲(chǔ)方案；

43、開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)并發(fā)訪問(wèn)的管理技術(shù)與算法。建立通用高性能數(shù)值算法庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；提出開(kāi)放性通用算法庫(kù)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案；研究算法類泛型編程技術(shù)和相關(guān)的設(shè)計(jì)模式；發(fā)展算法模塊集成技術(shù)。2）結(jié)構(gòu)-多場(chǎng)耦合與多尺度有限元分析軟件設(shè)計(jì)理論研究適用于多物理耦合場(chǎng)有限元分析軟件設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)解決可擴(kuò)展性問(wèn)題；提出耦合場(chǎng)問(wèn)題多類變量整體方程的通用求解技術(shù)，在此基礎(chǔ)上形成新一代有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本框架；發(fā)展多尺度計(jì)算方法的軟件實(shí)施技術(shù)，研究基于多重多級(jí)子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的多尺度分析算法實(shí)施技術(shù)；研發(fā)從微觀到宏觀跨尺度計(jì)算理論與算法的軟件系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)。3） 集成化計(jì)算力學(xué)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究開(kāi)放式的數(shù)值模擬軟件設(shè)計(jì)

44、方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，研究軟件平臺(tái)基于“微核心+插件”模式的體系結(jié)構(gòu)；提出面向數(shù)值模擬的腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)方案，建立面向已有軟件系統(tǒng)或可執(zhí)行程序的集成計(jì)算環(huán)境；發(fā)展數(shù)據(jù)文件的模版技術(shù)與通用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)；研究數(shù)值計(jì)算的工作流可視化驗(yàn)證技術(shù)，提出基于標(biāo)準(zhǔn)考題(benchmark)的數(shù)值軟件測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及自動(dòng)測(cè)試技術(shù)。承擔(dān)單位：大連理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：張洪武經(jīng)費(fèi)比例：22.3%課題5：車身鋼板輕量化與碰撞安全性的數(shù)字化設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)：發(fā)展溫?zé)岢尚胃邚?qiáng)度板大變形本構(gòu)模型，獲取基本宏、微觀參數(shù)。構(gòu)建熱成形分析的多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬算法。通過(guò)溫?zé)岢尚窝芯浚瑢?shí)現(xiàn)提高鋼板屈服應(yīng)力和強(qiáng)度極限的關(guān)鍵技術(shù)。建立碰撞安全性設(shè)計(jì)的

45、不確定性優(yōu)化模型，建立車輛碰撞安全性問(wèn)題的代理模型及高效減基模型，開(kāi)發(fā)基于代理模型的自適應(yīng)優(yōu)化迭代算法。全面實(shí)施溫?zé)岢尚畏抡婧蛯?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究?jī)?nèi)容：1）高強(qiáng)度鋼板熱成形理論和仿真方法建立高強(qiáng)度鋼板成形過(guò)程多場(chǎng)耦合本構(gòu)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，研究熱-力-相變耦合大變形熱成形本構(gòu)理論，包括熱成形相變突變過(guò)程中熱量變化（潛熱等）、熱力學(xué)材料參數(shù)變化、體積突變、相變塑性、熱應(yīng)力變化分布等熱力學(xué)機(jī)理研究。在此基礎(chǔ)上，建立適合于數(shù)值分析的多場(chǎng)耦合、多尺度本構(gòu)關(guān)系。構(gòu)建熱成形分析的多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬算法。將熱成形本構(gòu)引入多場(chǎng)耦合有限元數(shù)值模擬方法中，建立能夠考慮板料上、下表面熱接觸和模具變形的動(dòng)力顯式以及靜力顯

46、式彈塑性大變形有限元算法。通過(guò)溫?zé)岢尚窝芯浚瑢?shí)現(xiàn)提高鋼板屈服應(yīng)力和強(qiáng)度極限的關(guān)鍵技術(shù)。2）車輛碰撞安全性設(shè)計(jì)的不確定性優(yōu)化基于車輛碰撞安全性設(shè)計(jì)問(wèn)題的特點(diǎn)和難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)的高效不確定性優(yōu)化算法，對(duì)車輛碰撞安全性能進(jìn)行魯棒性和可靠性設(shè)計(jì)。具體研究?jī)?nèi)容包括：基于碰撞的數(shù)值算法、環(huán)境特性、制造工藝、材料（高強(qiáng)度鋼）等實(shí)際情況，尋找合適的不確定變量，并結(jié)合吸能、耐撞性、輕量化等指標(biāo)尋找合理的設(shè)計(jì)變量及建立相應(yīng)的不確定性優(yōu)化模型；基于統(tǒng)計(jì)理論或非概率凸集理論，研究碰撞安全性的相應(yīng)等效確定性優(yōu)化模型；針對(duì)高維、強(qiáng)非線性、多噪聲的特點(diǎn)，建立車輛碰撞安全性問(wèn)題的代理模型及高效縮減基模型，開(kāi)發(fā)基于代理模型的

47、自適應(yīng)迭代算法，提高求解效率。承擔(dān)單位：湖南大學(xué)、大連理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：韓旭經(jīng)費(fèi)比例：15.1%課題6：特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷與服役過(guò)程安全性的數(shù)值仿真預(yù)期目標(biāo)：提出含能材料結(jié)構(gòu)的多尺度力學(xué)建模方法和含能材料結(jié)構(gòu)安全性分析方法。揭示特種裝備結(jié)構(gòu)在爆炸與沖擊載荷作用下的毀傷機(jī)理，建立毀傷的計(jì)算力學(xué)模型和多物質(zhì)界面相互作用的高效數(shù)值計(jì)算方法。給出水下爆炸結(jié)構(gòu)毀傷的機(jī)理模型，提出瞬態(tài)的流體結(jié)構(gòu)耦合的計(jì)算模型和高效算法。研究?jī)?nèi)容：1）含能材料結(jié)構(gòu)在高空跌落環(huán)境中的安全性分析方法以一種典型的含能材料結(jié)構(gòu)-多層組合緩沖吸能結(jié)構(gòu)為對(duì)象，深入研究顆粒、纖維、泡沫材料的宏細(xì)觀物理建模以及含能材料結(jié)構(gòu)的沖擊安全性等

48、問(wèn)題，可為含能材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支撐，也是特種裝備結(jié)構(gòu)沖擊安全性評(píng)估的基礎(chǔ)。內(nèi)容包括：含能材料與木材等動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系、動(dòng)態(tài)損傷；含能材料的細(xì)觀彌散裂紋力學(xué)行為以及對(duì)宏觀力學(xué)性能影響；含能材料熱點(diǎn)形成的規(guī)律；含能材料結(jié)構(gòu)的撞擊變形與破壞的多尺度理論分析；緩沖組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；撞擊條件下含能材料結(jié)構(gòu)的安全性分析方法；含能材料力學(xué)性能與損傷狀態(tài)對(duì)裝備結(jié)構(gòu)的沖擊安全性能的影響。2）爆炸沖擊載荷作用下特種裝備結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)分析研究大型水面艦艇、地下深層工事等特種裝備結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊載荷作用下的毀傷機(jī)理，建立毀傷的計(jì)算力學(xué)模型，研究多物質(zhì)界面相互作用機(jī)理及高效數(shù)值算法；開(kāi)發(fā)多物質(zhì)流體彈塑性計(jì)算程序和前后

49、處理程序，實(shí)現(xiàn)與已有自主軟件和商業(yè)化軟件的無(wú)縫連接，集成研發(fā)出通用的爆炸與毀傷問(wèn)題仿真設(shè)計(jì)軟件，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。3）爆炸載荷作用下目標(biāo)結(jié)構(gòu)的防護(hù)分析發(fā)展非接觸水下爆炸流體載荷和目標(biāo)結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，研究目標(biāo)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理，建立目標(biāo)整體毀傷的計(jì)算力學(xué)模型；開(kāi)發(fā)非接觸爆炸結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和整體毀傷計(jì)算方法及軟件；通過(guò)模型和實(shí)船試驗(yàn)對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。承擔(dān)單位：北京理工大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院課題負(fù)責(zé)人：寧建國(guó)經(jīng)費(fèi)比例：17.3%四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年（1）應(yīng)力波在周期結(jié)構(gòu)傳播的理論研究；離散原子系統(tǒng)與連續(xù)介質(zhì)相應(yīng)物理量之間的計(jì)算轉(zhuǎn)化方法；考慮微結(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯板在強(qiáng)動(dòng)載荷作用

50、下的數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?；初步開(kāi)展材料破碎、融化和汽化行為的數(shù)值分析方法研究；新型自然坐標(biāo)體系研究；有限輪廓法的四邊形區(qū)域應(yīng)用研究；開(kāi)展二維動(dòng)網(wǎng)格的兩重網(wǎng)格方法研究；復(fù)合遞歸多重互易技術(shù)研究。（2）基于周期性和隨機(jī)性假設(shè)，研究宏/細(xì)觀關(guān)聯(lián)的非線性本構(gòu)模型、發(fā)展多尺度算法和計(jì)算程序，并應(yīng)用于高強(qiáng)度鋼板、復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的宏/細(xì)觀熱、力耦合行為分析中；探討反常擴(kuò)散現(xiàn)象的物理機(jī)理和多尺度特征，提出描述實(shí)際問(wèn)題的多尺度經(jīng)驗(yàn)公式。（3）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中多源不確定性的建模理論；非概率描述下不確定性參數(shù)最不利組合搜索算法及力學(xué)與多學(xué)科響應(yīng)的界限分析；考慮不確定性和多場(chǎng)耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。（4）提出數(shù)據(jù)管理系

51、統(tǒng)組成及其標(biāo)準(zhǔn)接口，按功能類別提出層次化設(shè)計(jì)方法，提出各子系統(tǒng)功能可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的接口設(shè)計(jì)方案；研究數(shù)據(jù)內(nèi)外存交換過(guò)程的信息封裝技術(shù)，研究數(shù)據(jù)統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)生成方法；提出通用算法庫(kù)的對(duì)象設(shè)計(jì)方案，研究算法類泛型編程(generic programming) 技術(shù)，研究算法庫(kù)設(shè)計(jì)方案，研究相關(guān)的設(shè)計(jì)模式；研究大規(guī)模計(jì)算的算法類設(shè)計(jì)方案，研究大規(guī)模代數(shù)方程(線性代數(shù)方程、矩陣特征值)的通用算法類設(shè)計(jì)；研究線性有限元類庫(kù)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)有限元概念提出面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)分析，重點(diǎn)研究類庫(kù)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性問(wèn)題；研究其中面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式的應(yīng)用技術(shù)；研究適用于計(jì)算力學(xué)軟件的插件管理系統(tǒng)和軟件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，提出插件管理系

52、統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行機(jī)制和接口標(biāo)準(zhǔn)；研究集成平臺(tái)基于“微核心+插件”思想的體系結(jié)構(gòu)；研發(fā)插件設(shè)計(jì)器。（5）對(duì)熱沖壓過(guò)程中溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立初步模型，并找出需要進(jìn)一步理論研究及試驗(yàn)研究的內(nèi)容；熱成形高強(qiáng)鋼的宏微觀熱力相變耦合關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究中實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇及確定測(cè)試方法，然后對(duì)所需的各物理量進(jìn)行測(cè)試、數(shù)據(jù)分析；研究適合汽車碰撞安全性計(jì)算和設(shè)計(jì)問(wèn)題的不確定性度量模型，實(shí)現(xiàn)多變量、多場(chǎng)耦合環(huán)境下的不確定性建模；研究汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不確定性數(shù)值計(jì)算方法，獲得結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)的凸集或統(tǒng)計(jì)信息；研究適合汽車碰撞安全性不確定優(yōu)化的轉(zhuǎn)換模型，將區(qū)間不確定優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為確定性優(yōu)化問(wèn)題。（6）爆炸沖擊問(wèn)題的流體彈

53、塑性動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)物理模型的建立以及歐拉方法中多物質(zhì)界面的處理方法及其相互作用機(jī)理研究；含能材料的靜、動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系以及損傷破壞模式研究；水下爆炸載荷的建模、計(jì)算方法研究。（1）完成調(diào)研報(bào)告，形成詳細(xì)的技術(shù)途徑，初步建立部分研究方法和手段。建立應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)的反射和透射分配理論；建立相場(chǎng)理論框架；建立離散原子系統(tǒng)與連續(xù)介質(zhì)相應(yīng)物理量之間的計(jì)算轉(zhuǎn)化方法；建立考慮微結(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯板在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停怀醪浇⒉牧掀扑?、融化和汽化行為的?shù)值分析方法；完善自然坐標(biāo)理論體系；建立二維兩重網(wǎng)格彈簧-插值聯(lián)合方法；建立復(fù)合遞歸多重互易技術(shù)。（2）提出宏/細(xì)觀關(guān)聯(lián)的熱、力耦合的非線性本構(gòu)模型、多尺度

54、算法，編寫(xiě)相關(guān)的計(jì)算程序；發(fā)展多尺度反常擴(kuò)散模型，提出描述實(shí)際問(wèn)題的多尺度經(jīng)驗(yàn)公式。（3）提出不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化中不同類型參數(shù)或載荷較大范圍變異的不確定性的建模理論；發(fā)展不確定性參數(shù)最不利組合高效搜索算法以及力學(xué)與多學(xué)科響應(yīng)的界限分析方法；發(fā)展考慮不確定性和多場(chǎng)耦合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法。（4）構(gòu)建數(shù)據(jù)管理的原型系統(tǒng)，確立各層子系統(tǒng)功能及接口設(shè)計(jì)方案，提供一個(gè)可運(yùn)行的初步數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)面向計(jì)算力學(xué)問(wèn)題的多種數(shù)據(jù)類型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)10種以上數(shù)據(jù)類實(shí)現(xiàn)范例并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試；提出3類以上計(jì)算力學(xué)典型算法類設(shè)計(jì)方案，提出通用算法庫(kù)的原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)2種以上算法，完成標(biāo)準(zhǔn)考題測(cè)試；完成

55、大規(guī)模線性代數(shù)方程組(百萬(wàn)自由度以上)求解算法類的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)求解算法；實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜力線性問(wèn)題的有限元分析原型系統(tǒng)，確立功能接口和規(guī)范，具備良好的開(kāi)放性，可實(shí)現(xiàn)功能的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展；提出軟件平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，建立集成計(jì)算平臺(tái)的原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)插件管理系統(tǒng)，建立插件接口標(biāo)準(zhǔn)，完成插件設(shè)計(jì)器，完成10種以上的平臺(tái)管理工具。（5）宏微觀測(cè)試設(shè)備購(gòu)置和自制完畢；高溫測(cè)試條件下數(shù)據(jù)采集方法驗(yàn)證完成；針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性問(wèn)題，給出不確定性參數(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性設(shè)計(jì)問(wèn)題，建立多種形式的不確定混合度量模型；基于不同度量模型，構(gòu)造汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性響應(yīng)的不確定性數(shù)值計(jì)算方法。（6）建立特種裝備在爆炸與沖

56、擊載荷下毀傷的計(jì)算力學(xué)模型和多物質(zhì)界面相互作用的高效數(shù)值計(jì)算方法；給出含能材料的靜、動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系；給出適合水中沖擊波的問(wèn)題的計(jì)算方法，建立汽液兩相介質(zhì)間斷解的高階計(jì)算格式。第二年（1）應(yīng)力波在含缺陷周期結(jié)構(gòu)的理論研究；采用原子模擬對(duì)于動(dòng)態(tài)斷裂分岔及拐折規(guī)律進(jìn)行研究；開(kāi)展自然坐標(biāo)和混合插值的拉格朗日有限元模型新方案研究；發(fā)展任意多邊形的有限輪廓法；開(kāi)展金屬基防護(hù)材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)值仿真研究；進(jìn)一步完善材料破碎、融化和汽化行為的數(shù)值分析方法研究；開(kāi)展多重網(wǎng)格及動(dòng)網(wǎng)格變形方法的策略研究；開(kāi)展彈簧法自適應(yīng)變剛度系數(shù)方法研究；研究無(wú)網(wǎng)格法結(jié)點(diǎn)布置技術(shù)；研究矩陣稀疏化技術(shù)、矩陣預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)和代數(shù)方程組快速迭

57、代求解方法。（2）探討熱、力耦合的細(xì)/微觀物理機(jī)理，發(fā)展細(xì)觀與微觀關(guān)聯(lián)的熱、力多尺度模型；提出處理時(shí)間多尺度的高效算法；研究熱、力參數(shù)的尺度效應(yīng)和尺度不變性，提出相關(guān)理論模型與計(jì)算方法。研究分?jǐn)?shù)階時(shí)間導(dǎo)數(shù)的計(jì)算方法；作中期工作總結(jié)，撰寫(xiě)中期總結(jié)報(bào)告。（3）不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)多層嵌套優(yōu)化問(wèn)題解耦策略；復(fù)雜結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)參數(shù)與荷載最不利參數(shù)組合的分析算法；考慮不確定性的結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效算法；多場(chǎng)耦合下的特定功能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法；多場(chǎng)耦合下能夠?qū)崿F(xiàn)綜合功能要求的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系構(gòu)型設(shè)計(jì)的拓?fù)鋬?yōu)化方法。（4）提出對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)的磁盤(pán)存儲(chǔ)方案，提出跨文件、跨分區(qū)、跨磁盤(pán)、跨節(jié)點(diǎn)的文件管理技術(shù)

58、，探討數(shù)據(jù)的快速檢索算法；研究面向大規(guī)模計(jì)算的軟件內(nèi)外存管理算法，研究?jī)?nèi)存更新算法、緩存管理算法、大數(shù)據(jù)塊的管理算法；研究非線性代數(shù)方程的算法類設(shè)計(jì)方法，提出與非線性數(shù)值模型的接口標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)探討通用的非線性方程算法類設(shè)計(jì)方案；線性問(wèn)題的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，研究非線性有限元的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究非線性數(shù)值模型與數(shù)值算法庫(kù)的接口設(shè)計(jì)；研究耦合場(chǎng)問(wèn)題面向?qū)ο笥邢拊到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，解決可擴(kuò)展性問(wèn)題，研究節(jié)點(diǎn)自由度管理算法，研究耦合場(chǎng)問(wèn)題總體平衡方程的通用集成算法和求解技術(shù)；研究集成平臺(tái)的腳本語(yǔ)言技術(shù)，研發(fā)腳本語(yǔ)言運(yùn)行管理環(huán)境；研發(fā)可視化任務(wù)定制工具和運(yùn)行管理系統(tǒng)，集成計(jì)算實(shí)現(xiàn)。（5）基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立用于數(shù)值模擬所需的熱力相變多場(chǎng)耦合和宏、微觀結(jié)合的多尺度本構(gòu)模型；基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立模具及板料上、下表面接觸的熱傳導(dǎo)溫度模型；針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性問(wèn)題，研究?jī)煞N非線性區(qū)間優(yōu)化的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換模型；將傳統(tǒng)的區(qū)間優(yōu)化擴(kuò)展至可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立有效的汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全性的區(qū)間可靠性