国家技术倡议计划（NTI）框架下，新西伯利亚国立大学（NSU）设立了“新型功能材料的建模与开发”卓越中心（CNFM）。该中心的科学家团队成功开发出一款复合材料非线性模型的构建工具。目前，该构建工具的原型及其多个功能模块已初步完成，并进入测试阶段。
这款新型软件将帮助工程师建立高精度模型，能够充分考虑材料在复杂载荷下的多种非线性行为，包括粘弹性、弹塑性、损伤累积以及诱导各向异性等。通过该构建工具生成的计算机模型，有望更有效地利用功能材料的强度潜力，从而优化结构设计。该技术预计将广泛应用于航空发动机、石油工业设备以及医疗植入体等领域。项目开发得到了国家技术倡议基金会的资助。
“在对复杂结构节点或机械装置进行变形与破坏的计算机模拟时，仅建立几何模型是不够的。必须向计算程序‘解释’所模拟结构由何种材料构成，以及这些材料具备哪些特性，” 新材料研究中心首席科学家、物理数学博士阿列克谢·舒托夫在介绍该成果时表示。“长期以来，工程师主要采用最简单的线性模型进行计算。而非线性模型虽然更为复杂，却是一种更先进的方法。关键在于，非线性模型能提供远高于线性模型的精度，从而更合理地利用材料强度储备，降低产品成本与重量，提升产品竞争力。”
线性模型的典型例子是广为人知的胡克定律，该定律指出弹性体产生的变形与施加的载荷成正比，即“拉得越紧，弹簧伸得越长”。然而，在高载荷条件下，材料的行为往往不再遵循线性规律：它们可能出现流动、蠕变、硬化或损伤累积等现象，表现出类似“记忆”的复杂特性。这些效应在常规工程课程中较少深入探讨，无法通过线性模型准确描述。完整的非线性力学分析通常仅限于固体力学研究专家，这是一个融合材料科学、力学与计算方法的交叉学科领域。
“我们软件的核心理念是使这些高级建模能力对工程师更加友好，将构建、设定与执行非线性模型的技术流程自动化，” 阿列克谢·舒托夫解释道。“首先，我们的构建工具生成非线性模型的‘签名’，即其理论描述。随后，它能够导入实验数据，对模型进行拟合与验证，以评估其预测性能。校准完成后，系统将自动生成用 C++ 语言实现的计算算法。这些算法可嵌入到诸如 Ansys、MSC.Marc、Abaqus 及‘Логос’等主流强度分析软件中，用于复杂系统的数值模拟。”
此外，新西伯利亚国立大学开发的这款模型构建工具还承担着教育使命，旨在提升工程师在非线性建模领域的专业素养与技术能力。
“该构建工具包含一个交互式模型手册。用户可输入任务参数，系统将推荐适用于该问题的模型类型、所需校准的实验数据类别，以及应用该模型后可预期的结果，” 阿列克谢·舒托夫补充道。
在建筑与机械制造领域，结构设计通常采用一定的安全储备系数。较高的储备系数往往源于对影响结构性能因素认识不足，并带来额外成本。而借助该构建工具生成的非线性模型，可实现更精确的力学响应预测，从而在设计阶段采用更合理的储备系数。这一点对航空工业尤为重要，因为结构减重是提升飞行器性能的关键因素。
对于航空发动机制造商而言，构建更精确的非线性模型是当前技术发展的重点。在激烈的市场竞争中，主要目标是在提高发动机经济性、可靠性与功率的同时，实现结构的轻量化。
“工程师在面对许多新型先进材料时经验有限，实验数据也往往不足。通过物理试验积累这类经验成本高昂且周期漫长，” 阿列克谢·舒托夫指出。“以碳化硅基复合材料为例，需了解其在各种温度与加载条件下的力学行为、疲劳寿命，以及出现裂纹等缺陷后的退化速率。要解决这些问题，必须依赖计算机建模与数字孪生技术，而高精度的非线性模型在其中不可或缺。”
该构建工具不仅能模拟现有材料在载荷下的响应，还可用于新材料的设计与开发。为此，系统中集成了一个特殊子模块——代表性体积元的替代模型。该模块能够构建考虑复合材料微观结构的完整数字孪生体，从而根据各组分相的特性预测尚未实际制备的新材料的力学性能。替代模型的应用可将计算速度提升数十万倍，大幅缩短研发周期。
“我们在生物力学领域同样看到了广阔的应用前景，” 阿列克谢·舒托夫补充道。“例如，俄罗斯科学院化学生物学与基础医学研究所帕维尔·彼得罗维奇·洛基托诺夫教授团队正致力于开发血管假体。从力学角度看，这类假体属于功能梯度材料制成的高技术产品。假体的力学性能设计至关重要：过硬可能导致生物相容性问题，过软则可能失去结构稳定性，引发动脉瘤。因此，需要精确优化假体性能，而基于复合材料构建的数学模型在此过程中极为有用。正是为解决这类关键应用问题，我们开发了这款构建工具。”
