一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法技术

本发明专利技术涉及一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法，包括以下步骤：拟定复合材料的模型的形状和尺寸，并确定模型边界；拟定所述模型中各尺寸范围内的颗粒增强相的体积和；生成所有尺寸范围内的颗粒模型；将颗粒模型的表面划分有限元网格，并将拟定的模型边界划分有限元网格；将各有限元网格赋予壳元属性；定义颗粒模型之间的接触方式以及颗粒模型与所述模型的边界的接触方式，通过有限元法模拟颗粒在空间中的下落过程；使所有尺寸范围内的颗粒模型恰好充满模型的内部空间；得到各个颗粒模型的有限元模型和基体的有限元模型；通过定义基体与颗粒间的约束方式和定义基体和颗粒的材料属性，完成颗粒增强复合材料结构建模。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算材料学领域，具体涉及，尤其涉及颗粒增强和短纤维增强复合材料细观结构的建模方法。
技术介绍
复合材料的性能在很大程度取决于材料的组成和结构，探索和构建新的“结构-功能”关系，是现代复合材料学的基本任务。材料科学和计算机科学的发展，使人们能够通过构建复合材料空间结构的数学模型，并通过分子动力学或有限元法等数值计算，完成材料性能分析和结构设计，从而弥补传统实验方法设计效率低并且难以实现材料结构优化等问题。在细观尺度上，复合材料可以看作由连续性的基体以及间断性的增强材料组成的复合结构。颗粒增强复合材料，如水泥混凝土和聚合物混凝土，可视为由水泥或树脂等胶结料为基体，石子或沙子等矿物颗粒为增强相，不同粒径的颗粒按照一定的比例均匀且致密分布的复合材料；纤维增强复合材料，可视为纤维为增强相，不同长度和直径的纤维按照一定的比例均匀且致密分布的复合材料。目前，颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料结构细观尺度数学模型的构建方法主要有随机投放法、格构模型法、随机力学特性模型法以及Voronoi法等。这些细观数值模型的生成方法仍然存在很多不足之处，如Voronoi法可以很容易地生成致密分布的随机形状的颗粒，但却无法控制颗粒的级配，即无法控制不同粒径颗粒的体积比或重量比。目前最为流行的随机投放法，能够较容易地满足颗粒增强相的级配要求，但在整个模型中，增强相却难以达到致密度要求，也就是说，采用随机投放方法，难以将所有的增强颗粒投放到有限的模型空间中，越是投放的后期，随机点的选取空间就越小，投放的难度也越大，经常发生工程实际中存在某种配比的材料，却无法生成该材料的细观尺度结构模型的情况。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出，该方法可以较真实地模拟颗粒或短纤维增强相的分布，并能彻底解决随机投放等方法增强相的致密度不足等问题，还可以保证每个增强相外基体相的厚度。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为:，包括以下步骤:(I)拟定复合材料的模型的形状和尺寸，并确定模型边界；(2)拟定所述模型中各尺寸范围内的颗粒增强相的体积和，即设定i尺寸范围内的颗粒增强相的体积和为να);(3)在所述模型及其上方的空间内，随机获得在i尺寸范围内的若干个颗粒模型，使各个颗粒模型的体积和为να)，各个颗粒模型均与周围的颗粒模型之间不发生干涉；(4)重复步骤(2)和(3)，生成所有尺寸范围内的颗粒模型；(5)将步骤(4)中所述的颗粒模型的表面划分有限元网格，并将步骤(I)中拟定的模型边界划分有限元网格；将各有限元网格赋予壳元属性，并赋予刚体材料属性；(6)定义颗粒模型之间的接触方式，定义颗粒模型与步骤(I)中所述模型的边界的接触方式，通过有限元法模拟颗粒的下落过程；(7)使所有尺寸范围内的颗粒模型恰好充满步骤(I)中所述模型的内部空间；(8)分别得到各个颗粒模型的有限元模型和基体的有限元模型；(9)通过定义基体与颗粒间的约束方式和定义基体和颗粒的材料属性，完成颗粒增强复合材料结构建模。优选的，步骤(3)中，i尺寸范围内的若干个颗粒模型的获得方法，包括如下步骤:a、在所述模型及其上方的空间内，随机产生一个点，以该点为中心，生成一个直径在i尺寸范围内的球；b、在所述球内生成内接多面体，将内接多面体的顶点沿球的半径方向内收或外放，使其模拟颗粒的实际形状，并保证该内接多面体与周围的模型之间不发生干涉，得到一个颗粒模型；C、计算步骤b中得到的颗粒模型的体积；d、重复步骤a-c，将得到的各个颗粒模型的体积求和，得到Σν ；e、判断Σ V是否达到V (i)，若不是，则重复步骤a_d。进一步优选的，步骤b中，所述内接多面体与周围的颗粒模型之间不发生干涉为所述内接多面体与周围的颗粒模型之间没有重合部分。优选的，步骤￠)中，所述颗粒模型之间的接触方式为面-面接触或点-面接触；颗粒模型与步骤(I)中所述模型的边界的接触方式为面-面接触或点-面接触。优选的，步骤(7)中，使所有尺寸范围内的颗粒模型恰好充满步骤⑴中所述模型的内部空间的方法为:若所有尺寸范围内的颗粒模型不能充满所述模型的内部空间，则增加步骤(5)中所述壳元的厚度，直至恰好充满为止。优选的，步骤(8)中，各个颗粒模型的有限元模型的获得方法为:根据颗粒模型表面的壳单元将颗粒模型划分为实体单元，即得。优选的，步骤(8)中，基体的有限元模型的获得方法为:将颗粒模型与所述模型的边界之间的部分视为复合材料的基体，并划分实体单元，即得；优选的，步骤(9)中，基体与颗粒间的约束方式为共节点约束或绑定约束(tiednodes)。所述建模方法在二维细观结构建模上的应用，其特征在于:将所述建模方法中的体积用面积代替，将随机点生成的球用圆代替，将内接多面体用圆内接多边形代替。所述建模方法在纤维增强复合材料建模上的应用，其特征在于:将所述建模方法中随机点生成的球用圆柱代替，并由圆柱生成纤维模型。本专利技术的有益技术效果为:(I)由于各颗粒都是在随机点生成的，因此能够保证颗粒空间分布的均匀性。(2)由于各颗粒是在比模型尺寸更大的空间中生成的，因此，容易产生符合条件的随机点，并依此生成颗粒，解决了现有随机投放法长时间找不到或根本找不到符合条件的随机点的问题，计算时间短，颗粒生成效率高。(3)颗粒形状和颗粒级配易于控制，从而使所生成的颗粒逼近真实颗粒形状和数量。根据颗粒的实际形状，通过球内接多面体顶点的内收与外放，可以生成凸型颗粒或凸-凹型颗粒，也可生成球形或椭球形颗粒。在颗粒生成过程中，可以保证各种颗粒的体积或数量。(4)颗粒的分布密度易于控制，从而使所生成的材料模型逼近真实材料。本专利技术将各颗粒的表面划分为壳型有限元单元，并定义壳元的厚度，然后用有限元法模拟这些颗粒的下落，直到各颗粒接触。通过改变壳元的厚度，可以方便地调节颗粒的分布密度。(5)通过颗粒表面的壳单元生成颗粒的实体单元，并且通过颗粒表面的壳单元与模型边界的壳单元生成基体的实体单元，因此，在颗粒与基体的界面上，有限单元的划分是一致的，即节点是重合的，所以能够方便地实现基体与颗粒的共节点约束或绑定约束。(6)由于壳元的节点均位于壳元的中面上，而实体元的节点位于实体的外表面上，所以，下落完毕并根据壳元生成实体元后，颗粒之间会产生相当于壳元厚度的间隙，这个间隙恰恰相当于实际材料中颗粒与基体间的过渡层(即混凝土行业中通常所说的裹胶厚度)。因此，本专利技术生成的模型可以非常逼近真实材料结构。(7)本专利技术所生成的模型不需要定义黏结力单元(cohesive element)，并且便于模拟裂纹的生成与扩展。由于本专利技术生成的颗粒与基体单元，在界面处的节点是位置重合的，因此，可以将颗粒单元与基体单元位置重合的节点定义为绑定约束(tied nodes)，重合节点处的应力大于材料强度后绑定解除，从而模拟复合材料的断裂。(8)本专利技术也可以在每个颗粒周围直接生成一个几何过渡层，并通过该过渡层定义黏结力单元或定义裹胶厚度，也可以采用在下落前使各颗粒放大，下落后再缩回的方法，使各颗粒间产生一个裹胶厚度。【附图说明】图1是在模型及其上方的空间内随机生成颗粒并将颗粒表面划分为壳单元示意图；图2是颗粒下落到模型空间示意图；图3是将颗粒和基体划分为实体单元并删除壳元后的局部剖视图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)拟定复合材料的模型的形状和尺寸，并确定模型边界；(2)拟定所述模型中各尺寸范围内的颗粒增强相的体积和，即设定i尺寸范围内的颗粒增强相的体积和为V(i)；(3)在所述模型及其上方的空间内，随机获得在i尺寸范围内的若干个颗粒模型，使各个颗粒模型的体积和为V(i)，各个颗粒模型均与周围的颗粒模型之间不发生干涉；(4)重复步骤(2)和(3)，生成所有尺寸范围内的颗粒模型；(5)将步骤(4)中所述的颗粒模型的表面划分有限元网格，并将步骤(1)中拟定的模型边界划分有限元网格；将各有限元网格赋予壳元属性，并赋予刚体材料属性；(6)定义颗粒模型之间的接触方式，定义颗粒模型与步骤(1)中所述模型的边界的接触方式，通过有限元法模拟颗粒的下落过程；(7)使所有尺寸范围内的颗粒模型恰好充满步骤(1)中所述模型的内部空间；(8)分别得到各个颗粒模型的有限元模型和基体的有限元模型；(9)通过定义基体与颗粒间的约束方式和定义基体和颗粒的材料属性，完成颗粒增强复合材料结构建模。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：季忠，生培瑶，王世照，刘韧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37