袁子峰：多尺度方法解預(yù)測難題

劉玉杰

材料在什么情況下會(huì)損壞？可以損壞到什么程度？借助力學(xué)模型就可以找到答案。用模型盡量真實(shí)地反映實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)世界，這是北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系特聘研究員袁子峰一直努力在做的事情。為復(fù)合材料提供高保真度的計(jì)算模型，用多尺度多物理場耦合的方式盡量精確地描述復(fù)合材料復(fù)雜演化過程，這是他對未來的期許。而當(dāng)下，他的目標(biāo)是結(jié)合產(chǎn)品工程實(shí)踐把工作做得越來越接地氣。

預(yù)測遇瓶頸

袁子峰介紹，和其他學(xué)科一樣，宏觀經(jīng)典力學(xué)也有一個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)體系。就像孫悟空怎么都逃不出如來佛手掌心一樣，經(jīng)典力學(xué)無論怎樣發(fā)展一直沒有逃離過牛頓經(jīng)典力學(xué)的框架，繞不開各種守恒律。這些守恒律雖在描述簡單結(jié)構(gòu)中奏效，但在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中卻很難對事情做清楚的解析，這就需要計(jì)算力學(xué)的助力，而袁子峰從事的就是計(jì)算固體力學(xué)的研究工作。

計(jì)算固體力學(xué)有一個(gè)目標(biāo)——預(yù)測。預(yù)測是全人類都在關(guān)注的事，各行各業(yè)的人都在各自的領(lǐng)域預(yù)測明天會(huì)發(fā)生什么，袁子峰的工作就是對產(chǎn)品的力學(xué)性能做預(yù)測?！氨热缫粋€(gè)馬克杯，在多高的位置摔下來會(huì)碎？通過實(shí)驗(yàn)也可獲得答案。但每天都摔杯子做實(shí)驗(yàn)，不是最好的方法，通用的方法是，基于產(chǎn)品材料的性質(zhì)用模型去預(yù)測?！?/p>

但并不是所有產(chǎn)品的力學(xué)性能都能用模型預(yù)測出來，在計(jì)算力學(xué)框架中，材料性質(zhì)通過本構(gòu)模型來表征。然而，在傳統(tǒng)的本構(gòu)模型體系內(nèi)，材料的應(yīng)力狀態(tài)并不由更小尺度的狀態(tài)所決定。相反，本構(gòu)模型是服從于現(xiàn)象的。因此，對于復(fù)合材料這種復(fù)雜介質(zhì)，材料復(fù)雜的力學(xué)性能很難通過既有的本構(gòu)模型所描述。此外，材料的塑性、斷裂、損傷、疲勞等強(qiáng)非線性現(xiàn)象與介觀尺度的材料演化累積相關(guān)。從現(xiàn)象學(xué)的角度去尋找一個(gè)能擬合現(xiàn)象的復(fù)雜的本構(gòu)模型并不能解釋材料的破壞機(jī)理，從而也就無從預(yù)測材料的力學(xué)性能。

將宏觀與介觀尺度相耦合，多尺度方法無疑是解決以上問題的一個(gè)途徑。宏觀的材料響應(yīng)來自于介觀尺度的平均化和均質(zhì)化，而介觀問題通過介觀材料組分、介觀幾何結(jié)構(gòu)以及相對應(yīng)的宏觀變形狀態(tài)所求解，多尺度方法的理論和實(shí)際計(jì)算代價(jià)需要仔細(xì)的平衡。

一般來說，介觀尺度的引入會(huì)極大程度增加計(jì)算復(fù)雜度。一個(gè)完整的宏觀非線性有限元模擬加上介觀非線性有限元求解的計(jì)算復(fù)雜度，約為宏觀單元數(shù)乘以介觀單元數(shù)，因此，高分辨率的介觀尺度計(jì)算會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過大而不可行?！叭缃駷榱诉_(dá)到較高的計(jì)算精度，介觀尺度的網(wǎng)格可以達(dá)到百萬量級(jí)，嚴(yán)重降低了在宏觀尺度引入在線計(jì)算的介觀信息的可能性。在這一問題上，計(jì)算力學(xué)學(xué)術(shù)界并沒有結(jié)合實(shí)際工業(yè)需求給出很好的解決方案。”袁子峰介紹。

而同時(shí)，隨著材料學(xué)科的蓬勃發(fā)展，先進(jìn)功能材料在復(fù)雜工作環(huán)境下的表征對仿真技術(shù)又提出了更高的挑戰(zhàn)。一方面，先進(jìn)材料的功能性來自于對材料的介觀尺度的更深刻的認(rèn)識(shí);另一方面，客觀的材料演化也需要考慮多種物理場的耦合效應(yīng)。這種多尺度多物理場的耦合分析對計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域既是難點(diǎn)，又是對國產(chǎn)計(jì)算力學(xué)軟件進(jìn)行突破的一個(gè)重大機(jī)遇，更對學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、計(jì)算力學(xué)軟件產(chǎn)業(yè)具有重大意義。因此，發(fā)展先進(jìn)計(jì)算力學(xué)技術(shù)已成為一項(xiàng)十分緊要的事情。

為建立可行的多尺度分析方法體系，使多尺度方法可以在宏觀大尺度結(jié)構(gòu)計(jì)算中得到實(shí)施，也為了設(shè)計(jì)編寫用戶友好、通用性強(qiáng)、可靠度高的多尺度多物理場計(jì)算力學(xué)軟件，袁子峰已積蓄了多年力量。

攜理想回國

在北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系本科畢業(yè)后，袁子峰開始了在美國10年的求學(xué)歷程，他在哥倫比亞大學(xué)土木工程與工程力學(xué)系完成碩士、博士學(xué)業(yè)后又繼續(xù)做博士后工作，其間一直跟隨Jacob Fish教授從事多尺度計(jì)算方法的相關(guān)研究?！拔覍ψ约旱囊笫?，方法不需要學(xué)得特別多，但只要學(xué)了就要做得盡可能完美。這也是我跟隨一個(gè)導(dǎo)師做了好多年的原因。”袁子峰說。

從事多尺度計(jì)算方法研究，需要有計(jì)算機(jī)編程能力。而在同齡人中袁子峰算是較早接觸編程的人，初中開始編程，對此他已有了濃厚興趣并已達(dá)到較高水平，能將它用在工作上，對袁子峰來說是一件樂事。

理論、算法、程序?qū)崿F(xiàn)是計(jì)算固體力學(xué)研究的三駕馬車，袁子峰在3個(gè)方面都力爭有所突破。正因如此，他獲得很多與國外企業(yè)合作的機(jī)會(huì)，參與了許多工程項(xiàng)目的研發(fā)工作。他編寫完全自主設(shè)計(jì)的非線性通用有限元程序FOOF（全稱Finite element solver based on Object-Oriented Fortran），該程序被Multiscale Design System以及隨后的Multiscale Designer所采用，作為軟件的非線性有限元計(jì)算引擎，沒有出現(xiàn)重大錯(cuò)誤，商用化后反映良好。FOOF軟件架構(gòu)優(yōu)秀，可拓展性強(qiáng)，可維護(hù)性良好。

同時(shí)，袁子峰還參與了通用汽車的玻璃纖維-尼龍復(fù)合材料在高溫高濕環(huán)境下的濕脹破壞模擬、碳纖維-環(huán)氧樹脂固化過程中的殘余應(yīng)力以及初始損傷模擬，碳化硅/碳化硅復(fù)合材料的氧化蠕變模擬、碳纖維-環(huán)氧樹脂的超高次數(shù)疲勞損傷模擬等工程項(xiàng)目研究，積累了大量的工程復(fù)合材料多尺度、多物理場仿真經(jīng)驗(yàn)，不僅對先進(jìn)材料在復(fù)雜環(huán)境下的多尺度多物理場破壞機(jī)理研究有了一定認(rèn)識(shí)，更對工程軟件用戶端的需求模式有了更深的了解。

在合作中，袁子峰感到，國外對力學(xué)的仿真方法非常重視，在商業(yè)軟件的開發(fā)上，比中國早走了很多年，已積累了很多經(jīng)驗(yàn)，并形成非常好的生態(tài)。同時(shí)，更值得關(guān)注的是，歐美仿真軟件市場開始涌現(xiàn)出一大批基于多尺度多物理場方法的軟件或第三方插件，服務(wù)包括復(fù)合材料在內(nèi)的先進(jìn)材料工業(yè)。其中Altair旗下的Multiscale Designer，Enginsoft旗下的Multiscale.Sim（作為ANSYS的第三方插件），被西門子收購的Multimechanics，復(fù)合材料分析軟件Analyswift、復(fù)合材料固化仿真軟件Raven等都是行業(yè)內(nèi)很優(yōu)秀的軟件，尤其Abaqus已經(jīng)在最新版本中提供簡單的材料均質(zhì)化功能模塊。

與國外“百花齊放”的狀態(tài)相反，中國的仿真軟件卻是另一番景象，沒有形成市場、不被重視、軟件稀缺、功能單一，軟件存在的缺陷一開始就為很多科研工作的開展設(shè)置了無法逾越的障礙。若想增加一些功能，向國外購買有很多限制，自己研制又面臨瓶頸問題。但要實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)景理論的開拓、進(jìn)行新算法的嘗試、滿足業(yè)界的需求，擁有一款自主設(shè)計(jì)的軟件已是迫在眉睫的事情。

袁子峰注意到，國外有很多開源軟件，只要搭一個(gè)平臺(tái)，提出一個(gè)通用性的結(jié)構(gòu)、代碼，讓別人去使用，平臺(tái)就會(huì)在大家使用的過程中不斷拓展，越來越完善?！盀槭裁次覀儾辉趪鴥?nèi)做一些開源軟件，提供一些工具給工業(yè)界、學(xué)術(shù)界，幫助大家解決一些問題，把生態(tài)慢慢建立起來呢？”在哥倫比亞大學(xué)求學(xué)期間就開始編寫非線性有限元程序的袁子峰一直抱有這個(gè)想法，隨著對國外仿真軟件市場認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入，想實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法的愿望在袁子峰心里更迫切了。

而且，據(jù)他了解，在國外學(xué)計(jì)算力學(xué)的中國人很多，但國內(nèi)從事這項(xiàng)研究的人卻很少，既然國內(nèi)計(jì)算力學(xué)沒有美國那么成熟，自己回來正好可以多做些事情，為在計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域發(fā)出更多中國聲音作一些貢獻(xiàn)。

帶著十年所學(xué)，懷揣報(bào)國理想，袁子峰回到母校北京大學(xué)開始了新的征程。

貼近工業(yè)需求

“選擇回到北大有很多理由。它是我的母校，有中國最聰明的學(xué)生和老師，而且這里有計(jì)算力學(xué)研究的傳統(tǒng)，很多老師希望我回來一起做事情，這對我是個(gè)很好的機(jī)會(huì)?！痹臃逭f。

離開10年再次回到母校，袁子峰感到北大自由的氛圍依然如初，可以獨(dú)立做自己想做的一切事情。在申請到的國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目中，他將在自主非線性有限元軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)直接均質(zhì)化方法以及降階均質(zhì)化方法兩種多尺度方法;在自主非線性有限元軟件平臺(tái)編寫介觀尺度材料的本構(gòu)模型庫，包括但不僅限于線彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、連續(xù)損傷、循環(huán)加載疲勞損傷等模型;還要在自主非線性有限元軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多物理場耦合方法。項(xiàng)目將整合現(xiàn)有成熟的多尺度方法，結(jié)合多物理場耦合理論，針對表征問題，建立一個(gè)完備的理論、仿真、軟件體系。

袁子峰介紹，這種體系是一種通用化的多尺度多物理場方法論，能將不同行業(yè)的實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)通過直接多尺度方法重現(xiàn)，然后基于直接方法，生成大量虛擬物理實(shí)驗(yàn)，不僅達(dá)到節(jié)約人力、物力、財(cái)力的目的，同時(shí)還可以解決虛擬物理實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)世界難以進(jìn)行的難題。真實(shí)的加上虛擬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能訓(xùn)練降階多尺度模型，使得在實(shí)際大尺度結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算中介觀尺度的不同組分仍然能獨(dú)立地被表征。結(jié)構(gòu)仿真、驗(yàn)證、優(yōu)化等工作將因此得以改善，這種方法論將為多種行業(yè)的材料設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的思路。

同時(shí)，由于多尺度多物理場材料模型本質(zhì)上是改善了應(yīng)變-應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系，并沒有本質(zhì)上改變宏觀結(jié)構(gòu)的非線性有限元模擬流程，所以傳統(tǒng)的計(jì)算固體力學(xué)體系大框架并不會(huì)受到很大的影響，工業(yè)界能很快地使用這種友好的新體系。

“大家都認(rèn)為多尺度的門檻很高，我想把文檔、論文、程序擺那兒告訴大家其實(shí)并沒有那么高。為讓用戶很容易上手，軟件對用戶的友好程度非常高，這不是一時(shí)半會(huì)兒能解決的問題，時(shí)間成本很大，要不停寫文檔，寫完還要測試，有很多工作要做?！痹臃逭f。

不僅要做擅長的事，還要在學(xué)術(shù)上做一些創(chuàng)新，對未來的工作袁子峰有這樣的規(guī)劃。隨著工作的慢慢展開，袁子峰打算除延續(xù)之前的工作外還要做一些新的工作。

多年的學(xué)習(xí)、工作經(jīng)驗(yàn)告訴他，做事情要從客戶的角度去理解問題，尤其做仿真絕不能做一些陳舊的方法，不能閉門造車，要了解客戶的需求是什么?！拔以诒贝舐犞v座，請了包為民院士，在航天領(lǐng)域他們就提出很多問題，有很多從計(jì)算力學(xué)的角度都是可以做些工作?！痹臃逭f，用戶和工具制造者之間是互相促進(jìn)的關(guān)系，多溝通才能了解彼此。所以他打算參觀一些國內(nèi)復(fù)合材料做得比較好的高校和企業(yè)，了解他們有什么需求，進(jìn)而為他們提供一些計(jì)算工具，做一些有意思、有意義的事情，但因?yàn)橐咔橐恢背掷m(xù)，這些事不得不一直往后推。

回國至今，袁子峰的工作開展得還算順利，他說這離不開大家的支持?！拔覀儍墒挚湛栈貒?，什么大成果都沒有，國家、北京市、學(xué)校對我們是真金白銀的支持，我們非常感激，只有把手中的事做好，才能回報(bào)大家的這些支持?！?/p>

回顧一路的成長，袁子峰想要感謝的人很多，他說：“Jacob Fish教授給予了我足夠的信任，不僅在學(xué)術(shù)上給了我很多幫助，在思維模式上、跟企業(yè)的合作上都帶給我很多啟發(fā)。北大的唐少強(qiáng)教授，能把復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題簡單地講清楚，讓我從高中到大學(xué)的轉(zhuǎn)變過程中，沒有被難度那么大的數(shù)學(xué)一悶棍打死，后來我修滿了唐老師的課，這對我?guī)椭艽?，也是我慢慢走上后來道路的原因?！?/p>

當(dāng)了很多年學(xué)生的袁子峰也即將迎來自己的學(xué)生。他說，要盡可能服務(wù)好學(xué)生，讓他們做得開心，因?yàn)橐粋€(gè)人最幸運(yùn)的事是能夠享受自己的工作。

看球賽、踢球、烹飪，袁子峰是一個(gè)充分享受生活的人，但科研那根弦他卻始終沒放松。他計(jì)劃在2022年，公開開源軟件以及相應(yīng)的文檔與樣例，從而服務(wù)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界。

“喬布斯說過，在沒有汽車前，用戶的需求是更多的馬，因?yàn)樗麄儔焊筒恢榔囘@個(gè)東西。我們所做的就是要讓大家知道除了馬還有汽車?！痹臃逭f，“我希望把自己做的工作盡快介紹出去，讓大家都用上我們的軟件，了解開源軟件其實(shí)可以做很多事情。我很期待在自己做的平臺(tái)上，大家能碰撞出一些不一樣的火花，產(chǎn)生一加一大于二的效應(yīng)?！?/p>

專家簡介

袁子峰，北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系助理教授，特聘研究員。2009年在北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系獲工程學(xué)士學(xué)位，2012年在美國哥倫比亞大學(xué)土木工程與工程力學(xué)系獲哲學(xué)碩士學(xué)位，2016年在美國哥倫比亞大學(xué)土木工程與工程力學(xué)系獲哲學(xué)博士學(xué)位。在美國哥倫比亞大學(xué)攻讀博士學(xué)位以及隨后博士后工作中一直從事多尺度計(jì)算方法的相關(guān)研究工作。發(fā)表與多尺度多物理場相關(guān)論文11篇，其中SCI收錄10篇?？蒲蟹较蛏婕袄碚撆c應(yīng)用力學(xué)、工程力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算力學(xué)軟件設(shè)計(jì)、多尺度計(jì)算方法與多物理場耦合方法。