CN113221416B - 一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，包括：对需要构建的二维微观构型进行几何参数描述；根据所述几何参数计算所述二维微观构型的代表单元的边长；确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数；对所述分布类型进行周期性结构判断；当所述分布类型为非周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建非周期性泰森多边形结构；当所述分布类型为周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建周期性泰森多边形结构；编写有限元软件接口插件程序并将所述泰森多边形结构导入所述有限元分析软件，根据点‑线‑面关系，构建单个胞元，并将所述胞元按比例缩放形成所述颗粒增强复合材料的所述分布类型的所述二维微观构型。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料有限元建模领域，具体涉及一种构建颗粒增强复合材料二维不同微观构型的数值模型的方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料是将高强度的第二增强相添加到金属基体中制成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、耐磨损和导电导热性能好等优点，广泛应用于航空航天、电子、汽车及建筑等行业。还具有宏观各向同性、容易二次加工且制造工艺更为简单、造价更为低廉等优点，特别是Al基复合材料已经进入商业化生产阶段，具有巨大的应用潜力。
复合材料是微观结构敏感性材料，其强化和韧性损失行为都和复合材料微观构型如颗粒的大小、形状、含量及分布状态，界面的强度以及基体和颗粒的弹性失配以及热膨胀系数失配程度密切相关。充分理解微观构型和宏观性能之间的关联性对优化复合材料设计非常重要。由于真实的细观结构往往非常复杂，如何对复合材料的细观结构进行数学描述以及细观结构的数值重建和再现是迫切需要解决的问题。
对于复合材料的微观代表单元模型，目前有基于各种算法的数值重构模型和基于实验扫描复合材料实际微观结构建立的模型。大多数算法重构的模型仅考虑了颗粒随机分布的情况。而基于实际微观结构的模型对实验设备和技术要求较高、过程复杂且花费时间较长。对于团聚分布、层状分布、网状分布和双尺寸分布等典型复合非均匀微观构型，目前还没有有效的数值建模方法提出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前复合材料数值分析中的微观构型建模不能覆盖颗粒的团聚分布，层状分布，网状分布和双尺寸分布等非均匀分布问题，提供一种构建复合材料二维微观构型的方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，所述方法包括：
对需要构建的二维微观构型进行几何参数描述；
根据所述几何参数计算所述二维微观构型的代表单元的边长；
确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数；
对所述分布类型进行周期性结构判断；
当所述分布类型为非周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建非周期性泰森多边形结构；
当所述分布类型为周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建周期性泰森多边形结构；
编写有限元软件接口插件程序并将所述泰森多边形结构导入所述有限元分析软件，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将所述胞元按比例缩放形成所述颗粒增强复合材料的所述分布类型的所述二维微观构型。
较佳地，所述确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数包括：
当所述分布类型为随机分布时，对所述分布类型进行所述周期性结构判断；
当所述分布类型不为所述随机分布时，确定所述分布类型的颗粒分布非均匀度，并进一步判断是否为网状分布或双尺寸分布；
当所述分布类型不为所述网状分布或所述双尺寸分布时，确定所述分布类型是否为圆形团聚分布，方形团聚分布或层状分布，并对所述分布类型进行所述周期性结构判断；
当所述分布类型为所述网状分布或所述双尺寸分布时，确定所述分布类型的大颗粒个数，网眼个数，大颗粒等效直径，网眼直径，并对所述分布类型进行所述周期性结构判断。
进一步地，所述几何参数包括：颗粒等效直径，颗粒个数，体积分数。
进一步地，所述分布参数包括：所述分布类型，所述颗粒分布非均匀度，所述大颗粒个数，所述网眼个数，所述大颗粒等效直径，所述网眼直径。
更进一步地，所述分布类型包括：所述随机分布，所述圆形团聚分布，所述方形团聚分布，所述层状分布，所述网状分布和所述双尺寸分布。
进一步地，编写所述有限元软件接口插件程序的程序语言包括Python语言；所述有限元软件包括Abaqus商业有限元软件。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：实现了对复合材料的复杂微观结构的描述以及高效、自动化批量建模；以增强相的几何参数和其空间分布参数，以及颗粒分布非均匀度为重要变量，快速构建复合材料不同的二维微观构型，极大的提高了复合材料数值计算的建模效率。
附图说明
图1为本发明一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法一实施例中的方法流程图；
图2为本发明一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法一实施例中的颗粒随机周期性分布的复合材料二维微观构型；
图3为本发明一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法一实施例中的颗粒层状非周期性分布的复合材料二维微观构型；
图4为本发明一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法一实施例中的颗粒网状周期性分布的复合材料二维微观构型；
图5为本发明一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法一实施例中的颗粒双尺寸周期性分布的复合材料二维微观构型。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1和图2所示为构建颗粒增强复合材料随机分布的微观构型的方法及对应的微观构型：
对想要建立的微观构型进行基本参数化描述，确定颗粒等效直径ds＝16.0，颗粒个数ns＝300，颗粒体积分数fv＝0.3。
计算代表单元的边长
判断分布类型为随机分布(均匀分布)。
确定随机分布是具有周期性结构的。
根据颗粒几何参数及分布参数，确定森多边形结构，具体为：
随机分布：在形心位置为(224.2，224.2)，边长为448.4的正方形区域内，构建胞元个数为300的Voronoi结构(泰森多边形结构)。
利用Python语言，编写有限元软件接口插件程序，将Voronoi结构导入进入有限元分析软件Abaqus中，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将胞元按比例缩放形成具有不同分布的复合材料2D微观构型，具体为：
随机分布：在有限元软件中，建立边长为448.4的正方形二维基体部件Part-base；导入之前建立的Voronoi结构，根据点-线-面关系，依次构建第1到第300个胞元部件Part-c-1～Part-c-300。将每个胞元部件按整体体积分数0.3进行缩放，形成颗粒部件Part-s-1～Part-s-300。将颗粒部件Part-s-1～Part-s-300放入有限元软件的装配模块中，并且采取平移处理，使得Part-s-i部件的形心位置和Part-c-i部件(i＝1,300)的形心位置重合。将基体部件Part-base放入有限元软件的装配模块中，然后和颗粒部件Part-s-1～Part-s-300在装配模块中合并且保留边界，形成颗粒随机分布的复合材料二维有限元数值模型。
如图1和图3所示为构建颗粒增强复合材料层状分布的微观构型的方法及对应的微观构型：
对想要建立的微观构型进行基本参数化描述，确定颗粒等效直径ds＝16.0，颗粒个数ns＝200，颗粒体积分数fv＝0.1。
计算代表单元的边长
判断分布类型为层状分布。
确定非均匀分布的非均匀度
确定分布不具有周期性。
根据颗粒几何参数及分布参数，确定泰森多边形结构，具体为：
层状分布：根据局部体积分数γinhfv＝0.3，计算得到颗粒聚集分布的长方形区域的高度为，
在形心位置为(317.065，317.065)，长和高为634.13×211.38的方形区域内，构建胞元个数为200的Voronoi结构。
利用Python语言，编写有限元软件接口插件程序，将Voronoi结构导入进入有限元分析软件Abaqus中，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将胞元按比例缩放形成具有不同分布的复合材料2D微观构型，具体为：
层状分布：在有限元软件中，建立边长为634.13的正方形2D(二维)基体部件Part-base；导入之前建立的Voronoi结构，根据点-线-面关系，依次构建第1到第200个胞元部件Part-c-1～Part-c-200。将每个胞元部件按局部体积分数0.3进行缩放，形成颗粒部件Part-s-1～Part-s-200。将颗粒部件Part-s-1～Part-s-200放入有限元软件的装配模块中，并且采取平移处理，使得Part-s-i部件的形心位置和Part-c-i部件(i＝1,200)的形心位置重合。将基体部件Part-base放入有限元软件的装配模块中，然后和颗粒部件Part-s-1～Part-s-200在装配模块中合并且保留边界，形成颗粒层状分布的复合材料2D有限元数值模型。
如图1和图4所示为构建颗粒增强复合材料网状分布的微观构型的方法及对应的微观构型：
对想要建立的微观构型进行基本参数化描述，确定颗粒等效直径ds＝15.0，颗粒个数ns＝160，颗粒体积分数fv＝0.1。
计算代表单元的边长
判断分布类型为网状分布。
确定非均匀分布的非均匀度
确定网眼个数。
确定分布具有周期性。
根据颗粒几何参数及分布参数，确定森多边形结构，具体为：
网状分布：根据局部体积分数γinhfv＝0.4，在形心位置为(265.87，265.87)，边长为531.74的正方形区域内，构建胞元个数为γinhns＝640的Voronoi结构(VN-S)；根据网眼个数nw＝4，在形心位置为(265.87，265.87)，边长为531.74的正方形区域内，构建胞元个数为4的Voronoi结构(VN-N)。
利用Python语言，编写有限元软件接口插件程序，将Voronoi结构导入进入有限元分析软件Abaqus中，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将胞元按比例缩放形成具有不同分布的复合材料2D微观构型，具体为：
网状分布：在有限元软件中，建立边长为531.74的正方形2D基体部件Part-base。首先导入之前建立的Voronoi结构VN-S，根据点-线-面关系，依次构建第1到第640个胞元部件Part-c-1～Part-c-640。将每个胞元部件按局部体积分数0.4进行缩放，形成颗粒部件Part-s-1～Part-s-640。将颗粒部件Part-s-1～Part-s-640放入有限元软件的装配模块中，并且采取平移处理，使得Part-s-i部件的形心位置和Part-c-i部件(i＝1,640)的形心位置重合。将颗粒部件Part-s-1～Part-s-640在装配模块中合并且保留边界形成全部颗粒部件Part-s-All。再导入之前建立的Voronoi结构VN-N，根据点-线-面关系，依次构建第1到第4个胞元部件Part-cw-1～Part-cw-4。将每个胞元部件按体积分数0.85(γinh-1)/γinh＝0.6375进行缩放，形成网眼颗粒部件Part-w-1～Part-w-4。将颗粒部件Part-w-1～Part-w-4放入有限元软件的装配模块中，并且采取平移处理，使得Part-w-i部件的形心位置和Part-cw-i部件(i＝1,4)的形心位置重合。将网眼颗粒部件Part-w-1～Part-w-4在装配模块中合并且保留边界形成全部网眼颗粒部件Part-w-All。在装配模块中，用网眼颗粒部件Part-w-All减去全部颗粒部件Part-s-All，形成颗粒部件Part-Particles。对部件Part-Particles进行处理，移除不完整的颗粒和多余的颗粒，确保总体积约为nsπ(ds/2)2＝28274。将部件Part-base和Part-Particles在装配模块中合并且保留边界，形成颗粒网状分布的复合材料2D有限元数值模型。
如图1和图5所示为构建颗粒增强复合材料双尺寸分布的微观构型的方法及对应的微观构型：
对想要建立的微观构型进行基本参数化描述，确定颗粒等效直径ds＝5.0，颗粒个数ns＝200，颗粒体积分数fv＝0.1。
计算代表单元的边长
判断分布类型为双尺寸分布。
确定大颗粒个数nl＝5和等效直径dl＝70.0。
确定分布具有周期性。
根据颗粒几何参数及分布参数，确定森多边形结构，具体为：
双尺寸分布：在形心位置为(99.08，99.08)，边长为198.17的正方形区域内，构建胞元个数为
的Voronoi结构(VD-S)；根据大颗粒个数5，在形心位置为(99.08，99.08)，边长为198.17的正方形区域内，构建胞元个数为5的Voronoi结构(VD-L)。
利用Python语言，编写有限元软件接口插件程序，将Voronoi结构导入进入有限元分析软件Abaqus中，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将胞元按比例缩放形成具有不同分布的复合材料2D微观构型，具体为：
双尺寸分布：在有限元软件中，建立边长为198.17的正方形2D基体部件Part-base。首先导入之前建立的Voronoi结构VD-S，根据点-线-面关系，依次构建第1到第529个胞元部件Part-c-1～Part-c-529。将每个胞元部件按局部体积分数0.196进行缩放，形成颗粒部件Part-s-1～Part-s-529。将颗粒部件Part-s-1～Part-s-529放入有限元软件的装配模块中，并且采取平移处理，使得Part-s-i部件的形心位置和Part-c-i部件(i＝1,529)的形心位置重合。将颗粒部件Part-s-1～Part-s-529在装配模块中合并且保留边界形成全部颗粒部件Part-s-All。再导入之前建立的Voronoi结构VD-L，根据点-线-面关系，依次构建第1到第4个胞元部件Part-cl-1～Part-cl-4。将每个胞元部件按体积分数
进行缩放，形成大颗粒部件Part-L-1～Part-L-4。将颗粒部件Part-L-1～Part-L-4放入有限元软件的装配模块中，并且采取平移处理，使得Part-L-i部件的形心位置和Part-c1-i部件(i＝1,4)的形心位置重合。将大颗粒部件Part-L-1～Part-L-4在装配模块中合并且保留边界形成全部网眼颗粒部件Part-L-All。在装配模块中，用大颗粒部件Part-L-All减去全部颗粒部件Part-s-All，形成颗粒部件Part-s-Particles。对部件Part-s-Particles进行处理，移除不完整的颗粒和多余的颗粒，确保总体积约为3927。将部件Part-base、Part-s-Particles和Part-L-All在装配模块中合并且保留边界，形成颗粒双尺寸周期性分布的复合材料2D有限元数值模型。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，其特征在于，所述方法包括：
对需要构建的二维微观构型进行几何参数描述；
根据所述几何参数计算所述二维微观构型的代表单元的边长；
确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数；
对所述分布类型进行周期性结构判断；
当所述分布类型为非周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建非周期性泰森多边形结构；
当所述分布类型为周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建周期性泰森多边形结构；
编写有限元软件接口插件程序并将所述泰森多边形结构导入所述有限元分析软件，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将所述胞元按比例缩放形成所述颗粒增强复合材料的所述分布类型的所述二维微观构型。
2.如权利要求1所述的一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，其特征在于，所述确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数包括：
当所述分布类型为随机分布时，对所述分布类型进行所述周期性结构判断；
当所述分布类型不为所述随机分布时，确定所述分布类型的颗粒分布非均匀度，并进一步判断是否为网状分布或双尺寸分布；
当所述分布类型不为所述网状分布或所述双尺寸分布时，确定所述分布类型是否为圆形团聚分布，方形团聚分布或层状分布，并对所述分布类型进行所述周期性结构判断；
当所述分布类型为所述网状分布或所述双尺寸分布时，确定所述分布类型的大颗粒个数，网眼个数，大颗粒等效直径，网眼直径，并对所述分布类型进行所述周期性结构判断。
3.如权利要求2所述的一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，其特征在于，所述几何参数包括：颗粒等效直径，颗粒个数，体积分数。
4.如权利要求2所述的一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，其特征在于，所述分布参数包括：所述分布类型，所述颗粒分布非均匀度，所述大颗粒个数，所述网眼个数，所述大颗粒等效直径，所述网眼直径。
5.如权利要求4所述的一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，其特征在于，所述分布类型包括：所述随机分布，所述圆形团聚分布，所述方形团聚分布，所述层状分布，所述网状分布和所述双尺寸分布。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，其特征在于，编写所述有限元软件接口插件程序的程序语言包括Python语言；所述有限元软件包括Abaqus商业有限元软件。
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- 2021-05-14 CN CN202110526389.3A patent/CN113221416B/zh active Active
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| CN113221416A (zh) | 2021-08-06 |
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