一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法技术

本发明专利技术公开了一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，属于新型复合材料单胞模型设计领域。本发明专利技术方法的操作流程包括：增强相1/8子多面体创建；切割参数设定；选取切割棱边；计算切割平面；切割1/8多面体；构建增强相模型；建立复合材料单胞模型及网格剖分；对模型施加边界条件；通过有限元仿真技术预测力学行为。该方法具有操作简便、增强相形状丰富、仿真精度高等特点。仿真精度高等特点。仿真精度高等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法


[0001]本专利技术属于新型复合材料单胞模型设计领域，具体涉及一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法。

技术介绍

[0002]增强相颗粒形状对复合材料力学行为存在重要影响。在外加载荷作用下，复合材料内应力应变分配对增强相形状非常敏感。若增强相存在尖角，将会导致界面附近的基体产生应力集中，而圆润的增强相周围的应力应变分布则较为均匀、应力应变梯度较低。然而，传统的实验方法难以测量复合体系的应力应变匹配行为。通常，实验测试模量能够定性的反映出载荷传递情况。然而，在低体积分数的复合体系中，即使增强相、基体两相模量差异高达数倍，传统实验方法仍然难以准确测量出增强相形状对模量的影响规律。近些年，有限元技术越来越多的应用于复合材料力学行为仿真工作中，并取得了较为准确的性能预测结果。一种全新的可以广泛使用于复合材料力学行为模拟的颗粒形状建模方式配合有限元仿真技术，有望解决这一难题，满足科研工作需求，并进一步指导未来的工业实践。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术中增强相颗粒形状建模困难的现状，提出一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法。本专利技术可以应用于多种尖锐多面体颗粒模型中，对其进行循环切割，并充分考虑了循环次数及切割深度，生成三维单胞模型。借助于有限元仿真技术，预测复合材料单胞的弹性力学行为，并计算复合体系的弹性性能。
[0004]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0005]本专利技术公开了一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，具体如下：
[0006]S1：在三维建模软件中创建多面体；
[0007]S2：根据步骤S1所创建的多面体，选取位于第一象限的1/8子多面体CELL进行后续切割操作；
[0008]S3：对多面体CELL选取需切割掉的棱边，并对所选取的所有棱边建立一个集合Set
‑
Slice
‑
Edge；
[0009]S4：对所述集合Set
‑
Slice
‑
Edge内的所有棱边，计算得到切割面；将所有切割面建立一个平面集合Set
‑
Slice
‑
Plane；
[0010]S5：在三维建模软件中，根据所述集合Set
‑
Slice
‑
Plane，对多面体CELL进行切割操作；保留包含顶点O(0，0，0)的多面体，并将该多面体定义为新的CELL，其余切割结果删除；若循环切割次数T＝0，则继续进行步骤S6；若T>0，则采用新的CELL，执行T次步骤S3～S5；
[0011]S6：根据经过步骤S5切割后的多面体CELL，构建增强相几何模型REINFORCE；
[0012]S7：基于模型REINFORCE，建立复合材料单胞模型并进行网格剖分；
[0013]S8：输入弹性属性并对复合材料单胞模型施加边界条件；
[0014]S9：基于经步骤S8处理后的复合材料单胞模型，对复合材料的力学行为进行数值仿真，获得复合材料在室温下弹性系数。
[0015]作为优选，所述三维建模软件包括AutoCAD、SolidWorks、UG。
[0016]作为优选，所述步骤S1中，创建的多面体同时满足以下条件：
[0017]1)多面体的棱边为直线线段；
[0018]2)多面体为分别关于XOY平面、YOZ平面、ZOX平面对称的凸多面体或凹多面体；
[0019]3)位于第一象限部分的1/8子多面体为凸多面体；
[0020]4)位于第一象限部分的1/8子多面体中，每个节点皆仅存在三条棱边交汇。
[0021]作为优选，所述步骤S3中，若棱边不在XOY平面、YOZ平面和ZOX平面内，即棱边的两个端点的X、Y、Z分量皆不可同时为0，则对其进行选取。
[0022]作为优选，所述步骤S4具体如下：
[0023]选取集合Set
‑
Slice
‑
Edge内的一条棱e0，其两个端点分别为p00(x00，y00，z00)和p01(x01，y01，z01)；根据位于第一象限部分的1/8子多面体中的每个节点皆仅存在三条棱边交汇这一条件，p00点处选取与棱e0相交的棱边两条e1和e2，p01点处选取与棱e0相交的棱边一条e3；棱e1、e2和e3中除p00、p01外的另一个端点分别为p11(x11，y11，z11)、p22(x22，y22，z22)、p33(x33，y33，z33)；结合参数切割深度S，其中0＜S＜1，计算得切割点ps0、ps1、ps2的坐标分别为：
[0024]ps0＝(p11
‑
p00)*S+p00
[0025]ps1＝(p22
‑
p00)*S+p00
[0026]ps2＝(p33
‑
p01)*S+p01
[0027]根据切割点ps0、ps1、ps2的坐标，得到切割平面方程为A*x+B*y+C*z+D＝0，其中A、B、C、D分别为：
[0028]A＝(ps1.Y
‑
ps0.Y)*(ps2.Z
‑
ps0.Z)
‑
(ps2.Y
‑
ps0.Y)*(ps1.Z
‑
ps0.Z)
[0029]B＝(ps1.Z
‑
ps0.Z)*(ps2.X
‑
ps0.X)
‑
(ps2.Z
‑
ps0.Z)*(ps1.X
‑
ps0.X)
[0030]C＝(ps1.X
‑
ps0.X)*(ps2.Y
‑
ps0.Y)
‑
(ps2.X
‑
ps0.X)*(ps1.Y
‑
ps0.Y)
[0031]D＝
‑
A*ps0.X
‑
B*ps0.Y
‑
C*ps0.Z。
[0032]作为优选，所述步骤S6具体如下：
[0033]在三维建模软件中，针对经过步骤S5切割后的多面体CELL，创建关于XOY平面对称的多面体CELL1；分别对CELL和CELL1创建关于YOZ平面对称的多面体CELL2和CELL3；分别对CELL、CELL1、CELL2、CELL3创建关于ZOX平面对称的多面体CELL4、CELL5、CELL6、CELL7；将8个多面体CELL、CELL1、CELL2、CELL3、CELL4、CELL5、CELL6、CELL7合并后得到一个增强相几何模型REINFORCE。
[0034]作为优选，所述步骤S7具体如下：
[0035]采用有限元软件，建立中心点为O、边长为L的立方体BOX；对模型REINFORCE、BOX进行组装成为一个实体；对该实体进行网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，其特征在于，具体如下：S1：在三维建模软件中创建多面体；S2：根据步骤S1所创建的多面体，选取位于第一象限的1/8子多面体CELL进行后续切割操作；S3：对多面体CELL选取需切割掉的棱边，并对所选取的所有棱边建立一个集合Set
‑
Slice
‑
Edge；S4：对所述集合Set
‑
Slice
‑
Edge内的所有棱边，计算得到切割面；将所有切割面建立一个平面集合Set
‑
Slice
‑
Plane；S5：在三维建模软件中，根据所述集合Set
‑
Slice
‑
Plane，对多面体CELL进行切割操作；保留包含顶点O(0，0，0)的多面体，并将该多面体定义为新的CELL，其余切割结果删除；若循环切割次数T＝0，则继续进行步骤S6；若T>0，则采用新的CELL，执行T次步骤S3～S5；S6：根据经过步骤S5切割后的多面体CELL，构建增强相几何模型REINFORCE；S7：基于模型REINFORCE，建立复合材料单胞模型并进行网格剖分；S8：输入弹性属性并对复合材料单胞模型施加边界条件；S9：基于经步骤S8处理后的复合材料单胞模型，对复合材料的力学行为进行数值仿真，获得复合材料在室温下弹性系数。2.根据权利要求1所述的一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，其特征在于，所述三维建模软件包括AutoCAD、SolidWorks、UG。3.根据权利要求1所述的一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，其特征在于，所述步骤S1中，创建的多面体同时满足以下条件：1)多面体的棱边为直线线段；2)多面体为分别关于XOY平面、YOZ平面、ZOX平面对称的凸多面体或凹多面体；3)位于第一象限部分的1/8子多面体为凸多面体；4)位于第一象限部分的1/8子多面体中，每个节点皆仅存在三条棱边交汇。4.根据权利要求1所述的一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，其特征在于，所述步骤S3中，若棱边不在XOY平面、YOZ平面和ZOX平面内，即棱边的两个端点的X、Y、Z分量皆不可同时为0，则对其进行选取。5.根据权利要求3所述的一种增强相形状对复合体系单胞弹性性能仿真的方法，其特征在于，所述步骤S4具体如下：选取集合Set
‑
Slice
‑
Edge内的一条棱e0，其两个端点分别为p00(x00，y00，z00)和p01(x01，y01，z01)；根据位于第一象限部分的1/8子多面体中的每个节点皆仅存在三条棱边交汇这一条件，p00点处选取与棱e0相交的棱边两条e1和e2，p01点处选取与棱e0相交的棱边一条e3；棱e1、e2和e3中除p00、p01外的另一个端点分别为p11(x11，y11，z11)、p22(x22，y22，z22)、p33(x33，y33，z33)；结合参数切割深度S，其中0＜S＜1，计算得切割点ps0、ps1、ps2的坐标分别为：ps0＝(p11
‑
p00)*S+p00ps1＝(p22
...

【专利技术属性】
技术研发人员：高翔，鲁晓楠，李建超，王欢，彭华新，
申请(专利权)人：浙江大学宁波五位一体校区教育发展中心，
类型：发明
国别省市：