[发明专利]一种建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法

说明书

本发明提供了一种建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，该方法选用数学软件、建模软件和有限元分析软件等软件相结合，建立二维或三维含大量随机分布孔隙或裂纹的材料模型：在数学软件中编写代码建立材料的数据模型；在建模软件中进行缺陷的处理；在有限元分析软件中进行模拟计算并分析结果。本方法能解决在有限元分析软件中建立含随机分布缺陷材料模型较为困难的问题，通过简化材料中含有的大量缺陷、编写合理的脚本文件、建立各软件之间的接口，实现将含大量缺陷的材料模型导入到有限元分析软件中进行模拟计算，方便相关科研人员的掌握和使用。

技术领域

本发明涉及有限元建模技术领域，尤其涉及一种建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法。

背景技术

有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法，广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等问题。基于有限元分析算法编制的软件，即所谓的有限元分析软件。有限元软件应用领域非常广泛，可应用在机械制造、土木建筑、材料加工、电子电器、航空航天、国防军工、汽车、船舶、铁道、石化、能源、桥梁、气象等各个科学研究和工程技术领域。其中ANSYS软件、ABAQUS软件都是广泛应用的通用有限元软件：ANSYS软件的命令流操作非常方便，对于结构循环优化方面比较有优势；ABAQUS则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。

材料在制备过程中，难免会存在一些缺陷，如孔隙、裂纹、夹杂等，这些缺陷对材料的性能有着至关重要的影响。对于这些工程实际问题，如果仅仅是通过实验研究分析，那么当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或者需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，付出的代价是巨大的，且结果不一定理想。譬如在航空发动机热端部件上大量用到的等离子喷涂热障涂层材料，就含有大量的孔洞和微裂纹，这些缺陷的存在使得涂层非常容易从高温合金基底上剥落，涂层一旦剥落，基底无法承受飞机服役时的燃气温度，就会造成发动机故障，甚至导致飞机失事。涂层材料价比黄金，试车过程要繁琐，通过实验去找材料中孔隙分布、孔隙大小、孔隙率、微裂纹长度、微裂纹分布等因素与涂层剥落区域的大小、深度的关系，无疑要浪费大量的人力物力财力。因此对于在当前工程技术领域中存在的众多需要去分析的复杂结构，需要考虑包括复杂几何形状、复杂载荷作用等在内的问题，采用有限元软件对该复杂系统进行分析模拟是一种低成本、短周期的有效研究分析手段。

但由于当材料含有大量微小、各式各样的缺陷时，难以找到缺陷的数量、种类、形状、分布等参数与材料性能之间的密切联系，从而达到通过控制关键影响参数来改进材料制备工艺的目的。而且通用有限元软件的自身几何建模能力非常有限，对于建立含大量缺陷的复杂几何结构模型，不仅操作繁琐复杂工作量大，并且常常难以为继。因此，要解决这些问题，简化材料中存在的大量缺陷，找到一种快捷方便的方法去建立含大量缺陷的复杂几何结构的有限元模型，是十分有必要的。目前国内做含孔洞材料的有限元模拟的文章很多，但是建立含大量随机分布孔洞材料的有限元模型的很少见的，建模的方法也不曾详细描述，做含大量随机分布孔洞与裂纹夹杂的程序代码和有限元模型的文献更是未尝得见。

发明内容

本发明的目的是提供一种建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，将模型中的缺陷简化为圆孔或缝隙，并通过数学软件建立缺陷样本的数据模型的生成程序来生成缺陷样本的数据模型，并且将缺陷样本的数据模型导入至无缺陷的材料模型生成含缺陷的材料模型，最终形成具有缺陷材料的模型，解决了难以建立含大量缺陷的复杂几何结构模型的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，包括以下步骤：

S1、简化缺陷材料中的孔隙形状，得到缺陷样本；

S2、通过数学软件建立所述缺陷样本的数据模型的生成程序；

S3、在数学软件中运行所述生成程序，得到缺陷样本的数据模型；