1、引言

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在船舶與海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛。性能需求的提高，使得復(fù)合材料組分構(gòu)成與結(jié)構(gòu)形式比以往更加復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)研究方法分析速度與精度方面受到限制，一定程度上制約了復(fù)合材料在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

人工智能方法利用數(shù)學(xué)模型代替力學(xué)分析，利用高維數(shù)據(jù)建立變量間的映射關(guān)系，以分析傳統(tǒng)力學(xué)方法不易發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化及可靠性分析方面起到推進(jìn)作用。

利用人工智能方法解決復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的問(wèn)題，已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

2、人工智能方法與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能預(yù)測(cè)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能預(yù)測(cè)通常采用試驗(yàn)、數(shù)值兩種方式，這兩種方法均難以對(duì)影響因素進(jìn)行精確分析。




復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能基于其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)。人工智能方法能夠高效分析微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與影響程度，促進(jìn)復(fù)合材料多尺度力學(xué)的深入研究。通過(guò)纖維體積分?jǐn)?shù)、鋪層角等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立“設(shè)計(jì)參數(shù)-結(jié)構(gòu)-性能”的響應(yīng)非線(xiàn)性映射關(guān)系模型，能夠提高復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)效率、降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研發(fā)時(shí)間成本。

工程領(lǐng)域中通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在物理定律和基本假設(shè)基礎(chǔ)上對(duì)經(jīng)驗(yàn)函數(shù)進(jìn)行修正以得到半經(jīng)驗(yàn)復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系與損傷失效數(shù)學(xué)模型。復(fù)合材料組分含量逐漸發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸復(fù)雜，使其準(zhǔn)確的損傷失效分析變得困難，然而已有材料力學(xué)方法對(duì)各種損傷機(jī)理共同作用不易良好表達(dá)。人工智能方法則繞過(guò)對(duì)失效機(jī)理的直接探索，利用設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型，同時(shí)避免經(jīng)驗(yàn)方法引入誤差。

3、人工智能方法與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間大，受載后響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，若通過(guò)多次試驗(yàn)獲得設(shè)計(jì)方案會(huì)消耗大量資源及時(shí)間，且無(wú)法保證獲得全局最優(yōu)解。隨著數(shù)值模擬與人工智能的持續(xù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)、自主搜索方案已得到應(yīng)用，為復(fù)合材料高精度高效率優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)新方法。

智能算法控制有限元分析，能夠在設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋找優(yōu)化解決方案。結(jié)合經(jīng)典層合板理論與智能算法，采用理論計(jì)算或數(shù)值計(jì)算，繞過(guò)大規(guī)模有限元分析，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料多目標(biāo)優(yōu)化的同時(shí)，提高設(shè)計(jì)效率。

此外還可通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向構(gòu)建性能-設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系模型，由目標(biāo)性能解出所需設(shè)計(jì)方案。




基于人工智能的復(fù)合材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化自動(dòng)尋優(yōu)方法已逐漸深化發(fā)展。材料性能設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性與算法的精度和效率在該方法中起到關(guān)鍵作用。

由于復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)與目標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，并對(duì)某些不確定因素及影響進(jìn)行量化處理，用以提高人工智能數(shù)學(xué)模型的效率與精度。

4、總結(jié)與展望

以輕量化為目標(biāo)，高效利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，基于其可設(shè)計(jì)性激發(fā)材料性能潛力極限，逐漸成為船舶及海洋工程領(lǐng)域復(fù)合材料研究的焦點(diǎn)之一。擺脫傳統(tǒng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案智能搜索，提高效率與性能，將是未來(lái)復(fù)合材料研究的新目標(biāo)。