CN112487691B - 插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，包括以下步骤：简化材料结构并构建微观模型；分析复合材料中颗粒相、基体相和界面相的尺寸参数及成分占比；设置基体区域，所有增强相颗粒均在所述基体区域内生成；根据所述基体区域通过随机分布算法建立颗粒随机分布增强复合材料模型；通过中性轴算法对所述颗粒随机分布增强复合材料模型进行网格划分；基于有网格的有限元模型，建立插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型；获取整体模型。本发明为建立插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料有限元模型提供了经济而有效的方法，此方法适用于不同材质颗粒增强的复合材料，为有限元模拟提供了更好的基础，同时减少此类材料的实验加工的成本。
Description
技术领域
本发明涉及有限元建模技术领域，具体而言，尤其涉及一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法。
背景技术
近年来，随着现代先进制造技术和材料科学的快速发展，传统单相金属材料在众多领域已然无法满足新时代中国追求的高质量发展要求，而颗粒增强复合材料是将基体良好的韧性、可成型性和导电导热等优点和增强相的高硬度、高弹性模量、低热膨胀、剪切强度及屏蔽吸波等优点结合在一起，形成的一种兼具基体和增强相独特性能的崭新材料，由于其优异的机械性能和强化颗粒的结构优化越来越受到学者的关注，并在航空航天、汽车制造业、海洋应用、军工装备制造等先进领域有着广泛的应用，正逐步取代传统材料成为21世纪最具发展前景的材料之一。
增强相颗粒的不均匀性使得颗粒增强复合材料的加工变得困难及具有挑战性，同时大量的实验以及测试消耗了过多的资金但带来的效益不高，因此研究人员致力于开发各种数值和分析模型来作为昂贵加工试验的替代方法。有限元建模是众多科学家用来理解机械加工过程机理的最有力的数值技术之一。与其他分析建模技术不同的是，非线性和材料特性在有限元分析中是最重要的。因此针对这个问题，有必要开发颗粒增强复合材料的数值建模方法。
发明内容
根据上述提出增强相颗粒的不均匀性使得颗粒增强复合材料的加工变得困难及具有挑战性，同时大量的实验以及测试消耗了过多的资金但带来的效益不高的技术问题，而提供一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法。本发明主要利用一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过扫描电镜观察多种颗粒增强复合材料的微观组织结构，获取微观组织结构并从微观角度分析颗粒增强复合材料的实际结构，将所述颗粒形状的实际结构简化为正圆形，在正圆形基础上构建微观模型；
步骤2：根据所述微观组织结构图，分析复合材料中颗粒相、基体相和界面相的尺寸参数及成分占比，设所述颗粒相、基体相和界面相中最大半径为rmax，颗粒最小半径为rmin，基体的区域为长为a、宽为b，颗粒之间的最小距离为dmin，所述材料中所述颗粒的个数为np；
步骤3：设置一个长为a、宽为b的长方形窗口，作为基体区域，所有增强相颗粒均在所述基体区域内生成；
步骤4：根据所述基体区域通过随机分布算法建立颗粒随机分布增强复合材料模型；
步骤5：通过中性轴算法对所述颗粒随机分布增强复合材料模型进行网格划分，将所述颗粒随机分布增强复合材料模型网格划分为4节点双线性平面应变四边形单元；
步骤6：基于有网格的有限元模型，通过二次编程建立界面相插入0厚度cohesive单元的所述颗粒随机分布增强复合材料模型；
步骤7：基于所述界面插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型，再通过二次编程建立颗粒内部插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料，获取整体模型。
进一步地，所述步骤4还包括以下步骤：
步骤4.1：确定任意一个颗粒的圆心位置为(x1,y1)并以圆心(x1,y1)为圆心绘制一个半径为r1的圆，所述半径为r1的取值范围为[rmin,rmax]；
步骤4.2：保持所述颗粒的位置不变，随机确定第d个颗粒的圆心位置(xd,yd)并随机绘制半径为rd的圆，第d个颗粒位置满足：从(xc,yc)到(xd,yd)的间距为dc，其中c为0到k-1的整数，且必须控制所有随机生成的颗粒边界的间距dc大于dmin；
步骤4.3：重复步骤4.2直到生成的颗粒数量符合指定值np，建立颗粒随机分布增强复合材料。
更进一步地，步骤6包括以下步骤：
步骤6.1：提取界面两侧所有的表层颗粒单元，并将所述颗粒进行单元编号Nn和单元节点坐标值编号n1，n2，n3，n4；提取界面两侧所有的表层基体单元，并将所述基体进行单元编号Mn和单元节点坐标值编号m1，m2，m3，m4；
步骤6.2：读取所述颗粒单元Ni和所述基体单元Mj，其中，i的初始值为0，j的初始值为0；
步骤6.3：判断所述颗粒单元Ni和所述基体单元Mj的节点坐标是否一致；如果一致，在所述颗粒单元Ni与所述基体单元Mj间自动创建一个cohesive单元，并执行步骤6.5；如果不一致，则执行步骤6.4；
步骤6.4：所述颗粒单元号加1，即颗粒单元号Ni+1，并执行步骤6.3；
步骤6.5：所述颗粒单元号与所述基体单元号同时加1，直到所有界面相均建立cohesive单元，输出界面插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型。
进一步地，步骤7的具体步骤如下：
步骤7.1：提取颗粒内部所有的颗粒单元，并将所述颗粒进行单元编号NNm；对应的单元节点坐标值编号为nn1，nn2，nn3，nn4；
步骤7.2：读取颗粒单元NNi和NNj，i初始值为0，j初始值为i+1；
步骤7.3：判断所述颗粒单元NNi和NNj的节点坐标值是否一致，如果一致，则在所述颗粒单元NNi和NNj之间创建一个cohesive单元，并执行步骤7.5；如果不一致，则执行步骤7.4；
步骤7.4：更新颗粒单元号NNj加1，即颗粒单元号NNj+1，执行步骤7.3；
步骤7.5：所述cohesive单元建立数量达到m，停止，输出插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元模型。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明为建立插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料有限元模型提供了经济而有效的方法，此方法适用于不同材质颗粒增强的复合材料，例如碳化硅增强铝基复合材料、碳化钛增强铁基复合材料等，为有限元模拟提供了更好的基础，同时减少此类材料的实验加工的成本。
2、本发明所建立的模型为颗粒随机分布的模型，对比现有较多的均匀分布的建模方法，本发明为参数化建模算法，提供了颗粒大小可以控制、颗粒位置可以随机变化、颗粒之间不重叠等功能，使得模型更加贴近实际模型。同时此算法采用python语言的代码进行参数化建模，简单而有效。
3、本发明所建立的模型为插入cohesive单元的模型，像此类复合材料的制备方法有粉末冶金、搅拌铸造法、激光熔覆等工艺手段，在颗粒和基体结合的界面处多为颗粒相和基体相反应之后的产物，具有与原来两类物质相不同的性质，插入cohesive单元可以为其定义各类物理、化学性质提供极大的帮助，使得模型更加贴近实际结构，更能反映复合材料的特性；同时在诸如加工过程的模拟中不同物质相之间会发生明显的应力集中及裂纹扩展现象，cohesive单元也为界面裂纹的随机扩展和断裂提供了更真实的模拟结果。
4、本发明的cohesive单元为0厚度的单元，颗粒内部之间的结构和性质是均匀存在的，对比有厚度的cohesive单元，在模拟颗粒的脆性断裂以及颗粒内部的随机裂纹扩展更加精确，同时可以输出裂纹扩展时的能量释放率且无需定义预裂纹。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明整体模型有限元建模流程图；
图2为本发明颗粒随机分布生成算法流程图；
图3为本发明界面插入cohesive单元流程图；
图4为本发明颗粒内部插入cohesive单元流程图；
图5为本发明颗粒随机分布增强复合材料有限元模型图；
图6为本发明界面插入cohesive单元有限元模型图；
图7为本发明颗粒内部插入cohesive单元有限元模型图；
图8为本发明插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料有限元模型图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1-8所示，本发明提供了一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，包括以下步骤：
步骤1：通过扫描电镜观察多种颗粒增强复合材料的微观组织结构，获取微观组织结构并从微观角度分析颗粒增强复合材料的实际结构，将所述颗粒形状的实际结构简化为正圆形，在正圆形基础上构建微观模型；
步骤2：根据所述微观组织结构图，分析复合材料中颗粒相、基体相和界面相的尺寸参数及成分占比，设所述颗粒相、基体相和界面相中最大半径为rmax，颗粒最小半径为rmin，基体的区域为长为a、宽为b，颗粒之间的最小距离为dmin，所述材料中所述颗粒的个数为np；
步骤3：设置一个长为a、宽为b的长方形窗口，作为基体区域，所有增强相颗粒均在所述基体区域内生成；
步骤4：根据所述基体区域通过随机分布算法建立颗粒随机分布增强复合材料模型。在本申请中，所述步骤4还包括以下步骤：
步骤4.1：确定任意一个颗粒的圆心位置为(x1,y1)并以圆心(x1,y1)为圆心绘制一个半径为r1的圆，所述半径为r1的取值范围为[rmin,rmax]；
步骤4.2：保持所述颗粒的位置不变，随机确定第d个颗粒的圆心位置(xd,yd)并随机绘制半径为rd的圆，第d个颗粒位置满足：从(xc,yc)到(xd,yd)的间距为dc，其中c为0到k-1的整数，且必须控制所有随机生成的颗粒边界的间距dc大于dmin；
步骤4.3：重复步骤4.2直到生成的颗粒数量符合指定值np，建立颗粒随机分布增强复合材料。
步骤5：通过中性轴算法对所述颗粒随机分布增强复合材料模型进行网格划分，将所述颗粒随机分布增强复合材料模型网格划分为4节点双线性平面应变四边形单元；
步骤6：基于有网格的有限元模型，通过二次编程建立界面相插入0厚度cohesive单元的所述颗粒随机分布增强复合材料模型；作为一种优选的实施方式，本申请中，步骤6包括以下步骤：
步骤6.1：提取界面两侧所有的表层颗粒单元，并将所述颗粒进行单元编号Nn和单元节点坐标值编号n1，n2，n3，n4；提取界面两侧所有的表层基体单元，并将所述基体进行单元编号Mn和单元节点坐标值编号m1，m2，m3，m4。这里所说的标号是指n从1到n进行标号，同时所提到的基体单元是基体经过所说网格划分后形成的小单元；颗粒单元是颗粒经过网格划分后形成的小单元。
步骤6.2：读取所述颗粒单元Ni和所述基体单元Mj，其中，i的初始值为0，j的初始值为0；
步骤6.3：判断所述颗粒单元Ni和所述基体单元Mj的节点坐标是否一致；如果一致，在所述颗粒单元Ni与所述基体单元Mj间自动创建一个cohesive单元，并执行步骤6.5；如果不一致，则执行步骤6.4；
步骤6.4：所述颗粒单元号加1，即颗粒单元号Ni+1，并执行步骤6.3；
步骤6.5：所述颗粒单元号与所述基体单元号同时加1，直到所有界面相均建立cohesive单元，输出界面插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型。
步骤7：基于所述界面插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型，再通过二次编程建立颗粒内部插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料，获取整体模型。
作为优选的实施方式，步骤7的具体步骤如下：
步骤7.1：提取颗粒内部所有的颗粒单元，并将所述颗粒进行单元编号NNm；对应的单元节点坐标值编号为nn1，nn2，nn3，nn4；
步骤7.2：读取颗粒单元NNi和NNj，i初始值为0，j初始值为i+1；
步骤7.3：判断所述颗粒单元NNi和NNj的节点坐标值是否一致，如果一致，则在所述颗粒单元NNi和NNj之间创建一个cohesive单元，并执行步骤7.5；如果不一致，则执行步骤7.4；
步骤7.4：更新颗粒单元号NNj加1，即颗粒单元号NNj+1，执行步骤7.3；
步骤7.5：所述cohesive单元建立数量达到m，停止，输出插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元模型。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过扫描电镜观察多种颗粒增强复合材料的微观组织结构，获取微观组织结构并从微观角度分析颗粒增强复合材料的实际结构，将所述颗粒形状的实际结构简化为正圆形，在正圆形基础上构建微观模型；
步骤2：根据所述微观组织结构图，分析复合材料中颗粒相、基体相和界面相的尺寸参数及成分占比，设所述颗粒相、基体相和界面相中最大半径为rmax，颗粒最小半径为rmin，基体的区域为长为a、宽为b，颗粒之间的最小距离为dmin，所述材料中所述颗粒的个数为np；
步骤3：设置一个长为a、宽为b的长方形窗口，作为基体区域，所有增强相颗粒均在所述基体区域内生成；
步骤4：根据所述基体区域通过随机分布算法建立颗粒随机分布增强复合材料模型；
步骤5：通过中性轴算法对所述颗粒随机分布增强复合材料模型进行网格划分，将所述颗粒随机分布增强复合材料模型网格划分为4节点双线性平面应变四边形单元；
步骤6：基于有网格的有限元模型，通过二次编程建立界面相插入0厚度cohesive单元的所述颗粒随机分布增强复合材料模型；
步骤7：基于所述界面相插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型，再通过二次编程建立颗粒内部插入0厚度cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料，获取整体模型。
2.根据权利要求1所述的一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，其特征在于，所述步骤4还包括以下步骤：
步骤4.1：确定任意一个颗粒的圆心位置为(x1,y1)并以圆心(x1,y1)为圆心绘制一个半径为r1的圆，所述半径为r1的取值范围为[rmin,rmax]；
步骤4.2：保持所述颗粒的位置不变，随机确定第d个颗粒的圆心位置(xd,yd)并随机绘制半径为rd的圆，第d个颗粒位置满足：从(xc,yc)到(xd,yd)的间距为dc，其中c为0到k-1的整数，且必须控制所有随机生成的颗粒边界的间距dc大于dmin；
步骤4.3：重复步骤4.2直到生成的颗粒数量符合指定值np，建立颗粒随机分布增强复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，其特征在于，步骤6包括以下步骤：
步骤6.1：提取界面两侧所有的表层颗粒单元，并将所述颗粒进行单元编号Nn和单元节点坐标值编号n1，n2，n3，n4；提取界面两侧所有的表层基体单元，并将所述基体进行单元编号Mn和单元节点坐标值编号m1，m2，m3，m4；
步骤6.2：读取所述颗粒单元Ni和所述基体单元Mj，其中，i的初始值为0，j的初始值为0；
步骤6.3：判断所述颗粒单元Ni和所述基体单元Mj的节点坐标是否一致；如果一致，在所述颗粒单元Ni与所述基体单元Mj间自动创建一个cohesive单元，并执行步骤6.5；如果不一致，则执行步骤6.4；
步骤6.4：所述颗粒单元号加1，即颗粒单元号Ni+1，并执行步骤6.3；
步骤6.5：所述颗粒单元号与所述基体单元号同时加1，直到所有界面相均建立cohesive单元，输出界面插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料模型。
4.根据权利要求1所述的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元建模方法，其特征在于步骤7的具体步骤如下：
步骤7.1：提取颗粒内部所有的颗粒单元，并将所述颗粒进行单元编号NNm；对应的单元节点坐标值编号为nn1，nn2，nn3，nn4；
步骤7.2：读取颗粒单元NNi和NNj，i初始值为0，j初始值为i+1；
步骤7.3：判断所述颗粒单元NNi和NNj的节点坐标值是否一致，如果一致，则在所述颗粒单元NNi和NNj之间创建一个cohesive单元，并执行步骤7.5；如果不一致，则执行步骤7.4；
步骤7.4：更新颗粒单元号NNj加1，即颗粒单元号NNj+1，执行步骤7.3；
步骤7.5：所述cohesive单元建立数量达到m，停止，输出插入cohesive单元的颗粒随机分布增强复合材料微观有限元模型。
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