[发明专利]一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于计算材料学领域，具体涉及一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法，尤其涉及颗粒增强和短纤维增强复合材料细观结构的建模方法。

背景技术

复合材料的性能在很大程度取决于材料的组成和结构，探索和构建新的“结构-功能”关系，是现代复合材料学的基本任务。材料科学和计算机科学的发展，使人们能够通过构建复合材料空间结构的数学模型，并通过分子动力学或有限元法等数值计算，完成材料性能分析和结构设计，从而弥补传统实验方法设计效率低并且难以实现材料结构优化等问题。

在细观尺度上，复合材料可以看作由连续性的基体以及间断性的增强材料组成的复合结构。颗粒增强复合材料，如水泥混凝土和聚合物混凝土，可视为由水泥或树脂等胶结料为基体，石子或沙子等矿物颗粒为增强相，不同粒径的颗粒按照一定的比例均匀且致密分布的复合材料；纤维增强复合材料，可视为纤维为增强相，不同长度和直径的纤维按照一定的比例均匀且致密分布的复合材料。目前，颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料结构细观尺度数学模型的构建方法主要有随机投放法、格构模型法、随机力学特性模型法以及Voronoi法等。这些细观数值模型的生成方法仍然存在很多不足之处，如Voronoi法可以很容易地生成致密分布的随机形状的颗粒，但却无法控制颗粒的级配，即无法控制不同粒径颗粒的体积比或重量比。目前最为流行的随机投放法，能够较容易地满足颗粒增强相的级配要求，但在整个模型中，增强相却难以达到致密度要求，也就是说，采用随机投放方法，难以将所有的增强颗粒投放到有限的模型空间中，越是投放的后期，随机点的选取空间就越小，投放的难度也越大，经常发生工程实际中存在某种配比的材料，却无法生成该材料的细观尺度结构模型的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法，该方法可以较真实地模拟颗粒或短纤维增强相的分布，并能彻底解决随机投放等方法增强相的致密度不足等问题，还可以保证每个增强相外基体相的厚度。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法，包括以下步骤：

(1)拟定复合材料的模型的形状和尺寸，并确定模型边界；

(2)拟定所述模型中各尺寸范围内的颗粒增强相的体积和，即设定i尺寸范围内的颗粒增强相的体积和为V(i)；

(3)在所述模型及其上方的空间内，随机获得在i尺寸范围内的若干个颗粒模型，使各个颗粒模型的体积和为V(i)，各个颗粒模型均与周围的颗粒模型之间不发生干涉；

(4)重复步骤(2)和(3)，生成所有尺寸范围内的颗粒模型；

(5)将步骤(4)中所述的颗粒模型的表面划分有限元网格，并将步骤(1)中拟定的模型边界划分有限元网格；将各有限元网格赋予壳元属性，并赋予刚体材料属性；

(6)定义颗粒模型之间的接触方式，定义颗粒模型与步骤(1)中所述模型的边界的接触方式，通过有限元法模拟颗粒的下落过程；

(7)使所有尺寸范围内的颗粒模型恰好充满步骤(1)中所述模型的内部空间；

(8)分别得到各个颗粒模型的有限元模型和基体的有限元模型；

(9)通过定义基体与颗粒间的约束方式和定义基体和颗粒的材料属性，完成颗粒增强复合材料结构建模。

优选的，步骤(3)中，i尺寸范围内的若干个颗粒模型的获得方法，包括如下步骤：

a、在所述模型及其上方的空间内，随机产生一个点，以该点为中心，生成一个直径在i尺寸范围内的球；

b、在所述球内生成内接多面体，将内接多面体的顶点沿球的半径方向内收或外放，使其模拟颗粒的实际形状，并保证该内接多面体与周围的模型之间不发生干涉，得到一个颗粒模型；

c、计算步骤b中得到的颗粒模型的体积；

d、重复步骤a-c，将得到的各个颗粒模型的体积求和，得到ΣV；

e、判断ΣV是否达到V(i)，若不是，则重复步骤a-d。

进一步优选的，步骤b中，所述内接多面体与周围的颗粒模型之间不发生干涉为所述内接多面体与周围的颗粒模型之间没有重合部分。

优选的，步骤(6)中，所述颗粒模型之间的接触方式为面-面接触或点-面接触；颗粒模型与步骤(1)中所述模型的边界的接触方式为面-面接触或点-面接触。