一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法技术

本发明专利技术公开了一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，获取碎石增强高聚物复合材料SRP中碎石的结构特征的参数值和统计模型，建立随机碎石数值模型和结构模型，经过网格单元剖分，并建立SRP各组成单元的本构关系和破坏准则，在建立SRP数值模型边界条件后，根据本构关系、破坏准则和SRP各组成单元的材料属性，计算SRP力学性能。本发明专利技术建立的数值模型能够反映真实界面中的碎石形貌，计算方法能够较好的预测和揭示SRP承受外部荷载作用时的弹性模量、强度变化和破坏过程，同时也证明了本数值模型的准确性、适用性和稳定性，为建立更加完善的SRP细观数值模型、找到微观结构与宏观性能之间的定量关系，提供了技术基础。提供了技术基础。提供了技术基础。

【技术实现步骤摘要】
一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法


[0001]本专利技术属于高聚物应用工程领域，具体涉及一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法。

技术介绍

[0002]碎石增强高聚物复合材料(Crushed
‑
stone
‑
reinforced Polymer，SRP)应用在复合地基中，负责承受重量和抵抗压力、冲击等荷载作用，其弹性模量和强度等力学性能是考察该新型材料特性和应用性的重要指标。SRP力学性能的研究是该新型材料应用和发展的前提，已有研究通过力学试验、理论模型和有限元模型对SRP的基本力学性能以及细观组份和宏观力学性能的关系进行了初步探索。
[0003]SRP和高聚物的强度和弹性模量均与基体高聚物的密度呈线性关系。SRP的抗压强度是等标称密度高聚物的2.5～3倍，弹性模量约为等标称密度高聚物的10倍。现有的关于SRP的研究，主要集中在SRP的宏观力学试验和高聚物碎石桩的模型试验及数值分析。关于该材料的组成、结构和力学性能等属性值得进一步研究。因此，需要采用细观力学方法，建立细观结构与宏观性能之间的联系，探究SRP的力学性能和破坏机理，为SRP的工程应用提供依据，具有重要的科研意义和工程价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，通过SRP中的碎石的结构特征，建立SRP数值模型和结构模型，进一步的通过对数值模型的处理，根据SRP内组成单元的本构关系、破坏准则和材料属性，计算SRP的力学性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，包括如下步骤：
[0007]获取碎石增强高聚物复合材料中碎石的结构特征的参数值和统计模型；
[0008]基于所述参数值和所述统计模型，建立基于统计相似性的随机碎石数值模型；
[0009]对所述随机碎石数值模型中的所述碎石进行扩展，建立所述碎石增强高聚物复合材料的组成单元的坐标位置和组分，生成所述碎石增强高聚物复合材料的结构模型；
[0010]基于所述结构模型和给定的所述组成单元的材料属性，对所述随机碎石数值模型进行网格单元剖分，根据所述组成单元的受拉状态和/或受压状态，建立所述组成单元的本构关系和破坏准则；
[0011]建立所述随机碎石数值模型的边界条件，根据所述本构关系、所述破坏准则和所述组成单元的所述材料属性，计算所述碎石增强高聚物复合材料的力学性能。
[0012]优选的，获取所述碎石的结构特征的参数值和统计模型的方法包括：
[0013]沿所述碎石增强高聚物复合材料的底面直径截开，获取所述碎石增强高聚物复合材料的截面图像；
[0014]对所述截面图像中的所述碎石界面进行等效变换，获取所述参数值；
[0015]获取所述截面图像中所述碎石的所述结构特征的变量值，基于所述变量值建立所述统计模型。
[0016]优选的，建立所述统计模型的方法包括：
[0017]对所述截面图像进行图片重建，得到重建图像；
[0018]对所述重建图像内相互接触的所述碎石图像进行分割，得到散列图像；
[0019]对所述散列图像进行像素与单位转换，得到所述碎石的所述结构特征的变量值；
[0020]基于所述结构特征的所述变量值，建立所述结构特征的所述统计模型。
[0021]优选的，建立所述随机碎石数值模型的方法包括：
[0022]基于所述参数值和所述统计模型，按照预设的碎石形心距离，采用蒙特卡罗法随机生成碎石形心，构建基于统计相似性的所述随机碎石数值模型。
[0023]优选的，生成所述碎石增强高聚物复合材料的所述结构模型的方法包括：
[0024]对所述随机碎石数值模型中的所述碎石进行扩展，得到所述组成单元的位置坐标；
[0025]基于所述组成单元的所述位置坐标，建立所述组成单元的组分；
[0026]基于所述位置坐标和所述组分，生成所述碎石增强高聚物复合材料的所述结构模型。
[0027]优选的，所述网格单元剖分的方法包括：
[0028]基于所述结构模型和给定的所述组成单元的所述材料属性，对所述随机碎石数值模型按照预设尺寸进行网格剖分，并对所述组成单元进行等分剖分。
[0029]优选的，所述边界条件的建立方法包括：
[0030]采用位移加载法，对所述随机碎石数值模型的加载端位置施加竖向位移荷载，并对所述随机碎石数值模型的非加载端位置施加位移固定约束。
[0031]优选的，所述力学性能的计算方法包括：
[0032]502.按照预设的加载位移步长，对所述加载端位置施加所述竖向位移荷载；
[0033]504.根据所述本构关系和所述破坏准则，判断所述组成单元是否破坏，如果所述组成单元没有破坏，转入506；如果所述组成单元有破坏，改变所述组成单元的所述材料属性，重复502
‑
504；
[0034]506.计算所述碎石增强高聚物复合材料的力学性能；如果没有达到预设的加载步数，改变所述加载位移步长，重复502
‑
506。
[0035]本专利技术的有益效果为：
[0036]本专利技术公开了一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，通过获取SRP中碎石的结构特征的参数值和统计模型，建立了基于统计相似性的随机碎石数值模型，该数值模型能够反映真实界面中的碎石形貌。进一步的，根据SRP结构模型、SRP组成单元的材料属性和受力状态，建立组成单元的本构关系和破坏准则，完成SRP的力学性能计算。本专利技术的细观分析方法，具有较强的适用性和稳定性，探究了SRP的力学性能和破坏机理，为建立更加完善的SRP细观数值模型，找到微观结构与宏观性能之间的定量关系，提供了技术基础，为SRP的工程应用提供了技术依据，具有重要的科研意义和工程价值，具有广阔的推广空间和使用价值。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本专利技术实施例一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法流程示意图；
[0039]图2为本专利技术实施例建立的碎石的结构特征统计模型的步骤示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例建立的碎石椭圆度统计模型；
[0041]图4为本专利技术实施例建立的碎石粒径统计模型；
[0042]图5为本专利技术实施例建立的Matlab模型与真实截面图像的对比；
[0043]图6为本专利技术实施例的SRP整体数值模型网格剖分示意图；
[0044]图7为本专利技术实施例建立的碎石的本构关系示意图；
[0045]图8为本专利技术实施例建立的界面和基体高聚物的本构关系示意图；
[0046]图9为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，其特征在于：包括如下步骤：获取碎石增强高聚物复合材料中碎石的结构特征的参数值和统计模型；基于所述参数值和所述统计模型，建立基于统计相似性的随机碎石数值模型；对所述随机碎石数值模型中的所述碎石进行扩展，建立所述碎石增强高聚物复合材料的组成单元的坐标位置和组分，生成所述碎石增强高聚物复合材料的结构模型；基于所述结构模型和给定的所述组成单元的材料属性，对所述随机碎石数值模型进行网格单元剖分，根据所述组成单元的受拉状态和/或受压状态，建立所述组成单元的本构关系和破坏准则；建立所述随机碎石数值模型的边界条件，根据所述本构关系、所述破坏准则和所述组成单元的所述材料属性，计算所述碎石增强高聚物复合材料的力学性能。2.根据权利要求1所述的碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，其特征在于：获取所述碎石的结构特征的参数值和统计模型的方法包括：沿所述碎石增强高聚物复合材料的底面直径截开，获取所述碎石增强高聚物复合材料的截面图像；对所述截面图像中的所述碎石界面进行等效变换，获取所述参数值；获取所述截面图像中所述碎石的所述结构特征的变量值，基于所述变量值建立所述统计模型。3.根据权利要求2所述的碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，其特征在于：建立所述统计模型的方法包括：对所述截面图像进行图片重建，得到重建图像；对所述重建图像内相互接触的所述碎石图像进行分割，得到散列图像；对所述散列图像进行像素与单位转换，得到所述碎石的所述结构特征的所述变量值；基于所述结构特征的所述变量值，建立所述结构特征的所述统计模型。4.根据权利要求1所述的碎石增强高聚物复合材料的细观分析方法，其特征在于：建立所述随机碎石数值模型的方法包括：基于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王娟，方宏远，李迅，张娟，余自森，张晨晓，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：