CN109190167A - 单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，在需生成RVE模型的目标区域内，确定RVE模型的初始参数，将规则分布的纤维位置作为初始纤维位置，结合相邻的行或列之间交叉算法，在保证纤维在边界处的周期性条件下，通过随机摄动方法，生成具有周期重复的纤维随机分布的RVE，基于获得的随机纤维位置坐标，确定微孔隙的初始位置，并随机确定孔隙的尺寸和形状，通过对孔隙的位置进行随机摄动，最终建立考虑纤维和微孔隙随机分布的复合材料横向微观模型。本发明考虑了单向长纤维复合材料横向微观结构的重构技术，针对纤维和孔隙的随机分布，均采用随机摄动方法，可以有效、高效地建立考虑纤维和孔隙随机分布的横向RVE模型。

Description

单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种复合材料的横向微观结构生成方法。
背景技术
复合材料层合板由于具有高比强、高比刚、设计性强等优点，现在被广泛应用于航天、汽车、土木等行业。由于单向复合材料板是层合板的组成部分，因此单向长纤维复合材料结构在外载作用下的变形和损伤评估成为复合材料领域的研究重点。
复合材料的横向力学性能是材料整体性能中薄弱的方向，使用数值分析方法对复合材料的横向性能进行预测，可以减少试验的次数，节约成本，用于分析不同因素，例如材料内部结构、组分材料性能、材料制作过程等，并且可以基于数值方法，对材料进行设计和优化，能够真实描述材料复合材料横向微观结构(代表性体积单元RVE)是进行数值分析预测的第一步。但是材料在制作过程中，会导致纤维的随机分布和孔隙的存在，现有的横向微观结构大多仅考虑纤维的随机分布特征，没有考虑孔隙的存在。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，可建立同时考虑纤维和孔隙随机分布的真实复合材料横向微观结构代表性体积单元。
技术方案：本发明提供了一种单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，包括以下步骤：
(1)在需生成RVE模型的目标区域(即RVE窗口)内，确定RVE模型的初始参数，将规则分布的纤维位置作为初始纤维位置；
(2)结合相邻的行或列之间交叉算法，在保证纤维在边界处的周期性条件下，通过随机摄动方法，生成具有周期重复的纤维随机分布的RVE；
(3)基于获得的随机纤维位置坐标，确定微孔隙的初始位置，并随机确定孔隙的尺寸和形状；
(4)通过对孔隙的位置进行随机摄动，最终建立考虑纤维和微孔隙随机分布的复合材料横向微观模型。
进一步，步骤(1)所述初始参数包括RVE窗口边长s、纤维体积含量Vf、纤维半径r、纤维个数n和孔隙的体积含量Vv。
进一步，步骤(2)包括以下步骤：
(21)行或列之间交叉算法是指，对相邻行或列之间的纤维在x或y方向上有相对整体的移动，移动增量为Δx或Δy，首先针对相邻的行和列进行整体的相对移动；
(22)在保证纤维不发生重叠的情况下，首先确定一根纤维在平面内x和y方向上可移动范围；
(23)在边界上对应纤维之间横向或纵向间距相同的条件下，即对RVE窗口进行复制并形成九宫格排列的窗口后，内部的所有纤维均是完整的且相邻两个小RVE窗口之间边界处的纤维是互补的，随机选择位置移动变化量，重新确定纤维的位置；
(24)对RVE窗口内所有的纤维依次进行步骤(22)和步骤(23)；
(25)重复步骤(21)至(24)，直至最大循环数；
(26)输出每个纤维的位置信息。
进一步，步骤(3)通过使用生成的纤维随机分布代表性体积单元的纤维位置，在保证四根纤维圆心组成的四边形内部不包含其他纤维的条件下，确定所有满足条件的四根纤维几何中心位置，将其作为微孔隙的初始位置；复合材料内部微孔隙的形状简化为圆形或椭圆形，因此在保证孔隙体积含量的情况下，随机选取孔隙的形状及其对应孔隙形状和尺寸。
进一步，步骤(4)针对尺寸非零的孔隙，在其初始位置周围的区域内进行位置的随机摄动，从而确定随机分布孔隙的位置信息，将具有随机尺寸特征的孔隙位置信息和纤维随机分布的位置信息结合，即可以建立纤维和孔隙均随机分布单胞模型。
有益效果：本发明考虑了单向长纤维复合材料横向微观结构的重构技术，针对纤维和孔隙的随机分布，均采用随机摄动方法，可以有效、高效地建立考虑纤维和孔隙随机分布的横向RVE模型。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为纤维位置初始规则分布横向RVE模型示意图；
图3为边界纤维距离约束和纤维随机移动取值范围示意图；
图4为纤维行和列的初始交叉运动后纤维分布示意图；
图5为孔隙几何特征示意图，其中(a)为圆形孔隙，(b)为椭圆形孔隙；
图6为孔隙初始位置和随机摄动流程示意图；
图7为单向长纤维增强复合材料横向微观结构RVE示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，如图1所示，具体操作如下：
步骤(1)在RVE窗口内确定纤维的初始位置：
1.1)确定RVE模型的初始参数：模型初始参数包括RVE窗口(坐标轴x-y平面上的正方形或者矩形，这里选择正方形)、边长s、纤维体积含量Vf、纤维半径r、完整的纤维个数n和孔隙的体积含量Vv，其中s＝37.6μm，Vf＝50％，r＝5μm，n＝36， Vv＝1％；
1.2)在RVE窗口内生成纤维周期性分布的坐标位置：选择使用纤维正方形分布的单胞模型，如图2所示，或者同样可以选择纤维菱形或者六边形分布的单胞模型。
步骤(2)结合相邻的行或列之间交叉算法，在保证纤维在边界处的周期性条件下，通过随机摄动方法，生成具有周期重复的纤维随机分布的RVE：
2.1)针对相邻的行和列进行整体的相对移动ΔX(ΔY)；
2.2)确定纤维的随机摄动范围，即在不发生纤维重叠的条件下，确定纤维i圆心坐标xi和yi能改变的范围Δxi和Δyi，如图3所示；
2.3)在保证纤维之间不发生交叉和边界上对应纤维之间横向或纵向间距相同的条件下(图4)，随机确定纤维新的新坐标；
2.4)对RVE窗口内所有的纤维依次进行步骤2.2)和步骤2.3)；
2.5)重复步骤2.1)至2.4)，直至最大循环数N＝500；
2.6)输出每个纤维的位置信息。
步骤(3)基于获得的随机纤维位置坐标，确定微孔隙的初始位置，并随机确定孔隙的尺寸和形状：
3.1)在保证孔隙体积含量下，随机选取孔隙的形状及其对应孔隙尺寸，圆形和椭圆形孔隙示意图如图5所示，需要随机确定的孔隙的尺寸参数包括圆形的半径r或者椭圆形的长轴a、短轴尺寸b以及长轴与水平方向的夹角θ；
3.2)使用相邻四个纤维现在的位置坐标，确定几何中心，将其作为微孔隙j的初始位置，选择周围的正方形区域作为孔隙的摄动范围，区域边长为3d，d为6倍的纤维半径(r)，如图6所示。
步骤(4)针对尺寸非零的孔隙，在其初始位置周围的区域内进行位置的随机摄动，如图6所示，进而建立纤维和孔隙均随机分布单胞模型，如图7所示。

Claims (5)

1.一种单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在需生成RVE模型的目标区域内，确定RVE模型的初始参数，将规则分布的纤维位置作为初始纤维位置；
(2)结合相邻的行或列之间交叉算法，在保证纤维在边界处的周期性条件下，通过随机摄动方法，生成具有周期重复的纤维随机分布的RVE；
(3)基于获得的随机纤维位置坐标，确定微孔隙的初始位置，并随机确定孔隙的尺寸和形状；
(4)通过对孔隙的位置进行随机摄动，最终建立考虑纤维和微孔隙随机分布的复合材料横向微观模型。
2.根据权利要求1所述的单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，其特征在于：步骤(1)所述初始参数包括RVE窗口边长s、纤维体积含量Vf、纤维半径r、纤维个数n和孔隙的体积含量Vv。
3.根据权利要求1所述的单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，其特征在于：步骤(2)包括以下步骤：
(21)行或列之间交叉算法是指，对相邻行或列之间的纤维在x或y方向上有相对整体的移动，移动增量为Δx或Δy，首先针对相邻的行和列进行整体的相对移动；
(22)在保证纤维不发生重叠的情况下，首先确定一根纤维在平面内x和y方向上可移动范围；
(23)在边界上对应纤维之间横向或纵向间距相同的条件下，即对RVE窗口进行复制并形成九宫格排列的窗口后，内部的所有纤维均是完整的且相邻两个小RVE窗口之间边界处的纤维是互补的，随机选择位置移动变化量，重新确定纤维的位置；
(24)对RVE窗口内所有的纤维依次进行步骤(22)和步骤(23)；
(25)重复步骤(21)至(24)，直至最大循环数；
(26)输出每个纤维的位置信息。
4.根据权利要求1所述的单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，其特征在于：步骤(3)通过使用生成的纤维随机分布代表性体积单元的纤维位置，在保证四根纤维圆心组成的四边形内部不包含其他纤维的条件下，确定所有满足条件的四根纤维几何中心位置，将其作为微孔隙的初始位置；复合材料内部微孔隙的形状简化为圆形或椭圆形，因此在保证孔隙体积含量的情况下，随机选取孔隙的形状及其对应孔隙形状和尺寸。
5.根据权利要求1所述的单向长纤维增强复合材料的横向微观结构生成方法，其特征在于：步骤(4)针对尺寸非零的孔隙，在其初始位置周围的区域内进行位置的随机摄动，从而确定随机分布孔隙的位置信息，将具有随机尺寸特征的孔隙位置信息和纤维随机分布的位置信息结合，即可以建立纤维和孔隙均随机分布单胞模型。
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