CN113761763A - 微观和细观尺度结构rve多尺度宏观材料性质分析方法 - Google Patents

微观和细观尺度结构rve多尺度宏观材料性质分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法:根据蜂窝夹层复合材料建立蜂窝结构RVE模型;根据均匀化理论,通过对RVE模型施加周期性边界条件,进行仿真计算获得RVE模型力学特性;应用蜂窝夹层复合材料的细观力学分析计算得到蜂窝夹层复合材料单胞模型力学特性;根据RVE模型力学特性和单胞模型力学特性结果建立RVE‑单胞多尺度分析力学模型;通过多尺度分析力学模型和实际生产中蜂窝夹层复合材料的相对体积得到蜂窝夹层复合材料宏观等效力学特性。能够针对蜂窝夹层复合材料宏观结构,从细观和微观结构出发考虑其力学特性,根据多尺度模型建立的RVE‑单胞力学模型能够有效地预测复合材料宏观等效力学特性。

Description

微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法
技术领域
本发明涉及蜂窝复合材料仿真计算技术领域,特别是涉及一种微观和细观尺度结构代表性体积单元多尺度宏观材料性质分析方法。
背景技术
复合材料由两种或两种以上的材料通过物理或化学的方式混合而得到,蜂窝夹层结构是指在两个薄蒙皮之间,夹上轻质芯材的一种层合复合材料。在做多尺度计算模拟蜂窝夹层等复合材料时,为了贴合晶体塑性方法,并且准确表征一个宏观尺度物体的行为,会希望将物质的微观性能也考虑到建模中。蜂窝复合材料的仿真分析一般会采用代表性体积单元,即representative volume element(RVE)来构建细观尺度的结构与性能。RVE是异质材料的典型代表单元,它拥有最小的体积尺寸,但体积单元内却包含了足够多微观组织结构组成物的几何信息、晶体学取向信息、分布信息与相场信息,并能在统计学意义上(统计平均性质)代表材料微观组织结构的基本特征。
然而在研究过程中发现,在仿真分析中,很少会考虑蜂窝材料的微观结构,而且通常很难找到能够全面表征材料宏观结构的微观RVE,尤其是在现在金属材料(如高熵合金,第三代高强钢等)层出不穷的今天。当前蜂窝夹层复合材料仿真分析基于建立的RVE模型个数来预测仿真结果的准确性,然而实际生产中的蜂窝夹层结构中包含无数个蜂窝单元,想要完全准确地模拟实际生产的材料会耗费巨大的人力财力和计算时间。因此,为了提高计算效率,需找到一种方法或一个平衡点,以相对整体材料而言足够小的微观和细观观测结果,来多尺度代表材料的宏观力学性能,即以较小的仿真模型来得到足够准确的仿真结果。
发明内容
针对具有周期性微观结构特征的复合材料(蜂窝夹层结构)在仿真过程中的宏观力学性能问题,提出了一种能够在建立最少的RVE仿真模型前提下得到代表材料宏观力学性能的方法,进行复合材料宏观分析的同时考虑微观结构特征多尺度分析的方法,从而可以大大提高复合材料仿真分析的准确度和高效性。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
本发明提供一种微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法,其特点在于,其包括以下步骤:
S1、根据蜂窝夹层复合材料建立蜂窝结构RVE模型;
S2、根据均匀化理论,通过对RVE模型施加周期性边界条件,进行仿真计算获得RVE模型力学特性;
S3、应用蜂窝夹层复合材料的细观力学分析计算得到蜂窝夹层复合材料单胞模型力学特性;
S4、根据RVE模型力学特性和单胞模型力学特性结果建立RVE-单胞多尺度分析力学模型;
S5、通过多尺度分析力学模型和实际生产中蜂窝夹层复合材料的相对体积得到蜂窝夹层复合材料宏观等效力学特性。
较佳地,在步骤S1中,蜂窝夹层复合材料包括但不限于金属材料、热固性复合材料与热塑性复合材料。
较佳地,在步骤S1中,根据具有周期性细观结构的蜂窝夹层复合材料的结构特征,选取用于表征蜂窝夹层复合材料结构的周期特性的代表性体积单元,根据所选取的代表性体积单元,建立相应的有限元分析模型,并采用周期性网格划分方法进行网格划分,以此建立蜂窝结构RVE模型。
较佳地,在步骤S3中,蜂窝夹层复合材料单胞模型包括:根据具有周期性细观结构的蜂窝夹层复合材料的微观结构特征,选取用于表征蜂窝夹层复合材料微观结构的周期特性的代表性体积单元,该代表性体积单元包括fiber纤维和matrix基体。
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:
本发明中所提供的方法,能够针对蜂窝夹层复合材料宏观结构,从细观和微观结构出发考虑其力学特性,根据多尺度模型建立的RVE-单胞力学模型能够有效地预测复合材料宏观等效力学特性,避免了针对整个蜂窝复合材料建立宏观结构分析模型,从而在减少了资源浪费的情况下能够保证结果准确度和计算效率。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法的流程图。
图2为本发明较佳实施例的蜂窝结构RVE示意图。
图3为本发明较佳实施例的周期性边界条件实现示意图。
图4为本发明较佳实施例的蜂窝材料单胞模型示意图。
图5为本发明较佳实施例的多尺度分析力学模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,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的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本实施例提供一种微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法,其包括以下步骤:
S1、根据蜂窝夹层复合材料建立蜂窝结构RVE模型。
其中,在步骤S1中,蜂窝夹层复合材料包括但不限于金属材料、热固性复合材料与热塑性复合材料。
建立蜂窝结构RVE模型包括根据具有周期性细观结构的蜂窝夹层复合材料的结构特征,选取用于表征蜂窝夹层复合材料结构的周期特性的代表性体积单元,如图2所示,根据所选取的代表性体积单元,建立相应的有限元分析模型,并采用周期性网格划分方法进行网格划分,以此建立蜂窝结构RVE模型。
S2、根据均匀化理论,通过对RVE模型施加周期性边界条件,进行仿真计算获得RVE模型力学特性。
其中,均匀化理论主要用于分析具有两个或多个尺度的物质系统,它可以把含有第二相空间的细观尺寸和整体结构上的宏观尺度联系起来。均匀化理论通过对位移和应力场进行渐进展开以及适当的变分原理,均匀化方法不仅可以求出等效的均匀化材料常数,而且可以得到两个尺度上的应力和应变分布。该方法不必作全局的周期性假设,在宏观结构的不同点可以有不同的微结构。位移场在宏观和微观尺度上渐进展开,并将其应用到具有周期性的细观结构中。
周期性边界条件的作用是使边界应力连续和位移连续,可以用数学表达式表示为:
Figure BDA0003200619650000051
Figure BDA0003200619650000052
在复合材料周期性微观单元的顶点上的位移是零,单元的其他面上(包括棱)的位移满足周期性。图3可以用来进一步说明周期性边界条件的实现原理。可通过面面约束来实现周期性边界条件,即通过主面约束从面。一般地,主面网格与从面网格要成映射关系,网格节点一一对应,这样主面内的节点就可以约束从面内的全部节点。如下图所示,从面内a,b,c三个节点就可以分别被主面内1,2,c’约束,即a,b,c处的位移函数分别与1,2,c’处的位移函数相同。虽然c’不是主面内的节点,但可以通过主面内节点1,2,3插值得到,利用这个思想,就可以实现了从面内的所有节点都能被主面内的节点所约束,从而使得从面内节点位移与主面内节点位移能够保持一致,以此实现周期性边界条件。
S3、应用蜂窝夹层复合材料的细观力学分析计算得到蜂窝夹层复合材料单胞模型力学特性。
其中,蜂窝夹层复合材料单胞模型包括:根据具有周期性细观结构的蜂窝夹层复合材料的微观结构特征,选取用于表征蜂窝夹层复合材料微观结构的周期特性的代表性,如图4所示,该代表性体积单元主要由fiber纤维和matrix基体组成。
细观力学以纤维和基体作为基本单元,把纤维和基体分别看成是各向同性的均匀材料(有的纤维属横观各向同性材料),根据材料纤维的几何形状和布置形式、纤维和基体的力学性能、纤维和基体之间的相互作用(有时应考虑纤维和基体之间界面的作用)等条件来分析复合材料的宏观物理力学性能。
S4、根据RVE模型力学特性和单胞模型力学特性结果建立RVE-单胞多尺度分析力学模型。
多尺度分析力学模型原理如图5所示,一个具有周期性结构的复合材料弹性体Ω,受体力f,边界
Figure BDA0003200619650000061
上受表面力t,边界
Figure BDA0003200619650000062
上给定位移边界条件。宏观某点x处的细观结构可以看成是非均匀单胞在空间中周期性重复堆积而成,单胞的尺度y相对于宏观几何尺度为小量。
对于非均匀的复合材料,当宏观结构受外部作用时,位移和应力等结构场变量将随宏观位置的改变而不同。同时由于细观结构的高度非均匀性,使得这些结构场变量在宏观位置x非常小的邻域ε内也会有很大变化。因此所以变量都假设依赖于宏观和细观两种尺度,即:
Figure BDA0003200619650000063
y=x/ε
上标ε表示该函数具有两尺度的特征。
Y-周期性:微观单胞的周期为Y:
Figure BDA0003200619650000064
S5、通过多尺度分析力学模型和实际生产中蜂窝夹层复合材料的相对体积得到蜂窝夹层复合材料宏观等效力学特性。
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,这些仅是举例说明,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 (4)

1.一种微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法,其特征在于,其包括以下步骤:
S1、根据蜂窝夹层复合材料建立蜂窝结构RVE模型;
S2、根据均匀化理论,通过对RVE模型施加周期性边界条件,进行仿真计算获得RVE模型力学特性;
S3、应用蜂窝夹层复合材料的细观力学分析计算得到蜂窝夹层复合材料单胞模型力学特性;
S4、根据RVE模型力学特性和单胞模型力学特性结果建立RVE-单胞多尺度分析力学模型;
S5、通过多尺度分析力学模型和实际生产中蜂窝夹层复合材料的相对体积得到蜂窝夹层复合材料宏观等效力学特性。
2.如权利要求1所述的微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法,其特征在于,在步骤S1中,蜂窝夹层复合材料包括但不限于金属材料、热固性复合材料与热塑性复合材料。
3.如权利要求1所述的微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法,其特征在于,在步骤S1中,根据具有周期性细观结构的蜂窝夹层复合材料的结构特征,选取用于表征蜂窝夹层复合材料结构的周期特性的代表性体积单元,根据所选取的代表性体积单元,建立相应的有限元分析模型,并采用周期性网格划分方法进行网格划分,以此建立蜂窝结构RVE模型。
4.如权利要求1所述的微观和细观尺度结构RVE多尺度宏观材料性质分析方法,其特征在于,在步骤S3中,蜂窝夹层复合材料单胞模型包括:根据具有周期性细观结构的蜂窝夹层复合材料的微观结构特征,选取用于表征蜂窝夹层复合材料微观结构的周期特性的代表性体积单元,该代表性体积单元包括fiber纤维和matrix基体。
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