[发明专利]二维高含量颗粒增强复合材料三相细观模型及建立方法

说明书

本发明公开了二维高含量颗粒增强复合材料三相细观模型及建立方法，属于颗粒增强复合材料细观仿真的技术领域。本发明在随机产生椭圆增强颗粒的基础上成功建立椭圆周围等厚度界面拓扑结构的参数模型，进一步考虑颗粒在边界或外荷载的推动下达到受力平衡的条件，成功实现颗粒紧密堆积在不断向内收缩的给定区域内，且保证颗粒相互之间不发生重叠现象，构造出的颗粒增强复合材料细观仿真模型具有自然随机的周期性边界，不存在周期边界上颗粒的取舍问题，通过本发明提出的建模方法可以得到具有很高含量的颗粒增强复合材料细观结构模型。

技术领域

本发明公开了二维高含量颗粒增强复合材料三相细观模型及建立方法，属于颗粒增强复合材料细观仿真的技术领域。

背景技术

水泥基、陶瓷基、聚合物基等颗粒增强复合材料已经被广泛运用于各种工程结构中。然而，由于颗粒增强复合材料细观结构的随机性和复杂性，试验技术往往只能定性地测量其细观结构且所得结果的精度经常受制于已有的试验仪器精度和人为误差。另外，理论方法在简化实际物理模型的基础上近似地计算相应的等效力学性能，需在诸如颗粒含量较低等很多限制条件才有效。随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，通过计算机模拟颗粒增强复合材料的复杂细观结构已经成为国际上非常值得期待的研究方向而且引起越来越多国内外学者的关注。数值模拟技术能否在克服以上试验和理论方法缺陷的同时高效准确地计算高含量颗粒复合材料的力学性能面临严峻挑战。因此，建立一种高效复杂的颗粒增强复合材料细观仿真模型以实现材料力学性能的进一步分析是十分必要的。

在二维颗粒增强复合材料细观仿真模型的构造方法上，国内外的大部分学者是通过简单地在一个给定的区域内随机确定椭圆的中心坐标以及长轴与x轴的夹角，即随机生成椭圆形颗粒，然后检查当前随机生成的椭圆形颗粒与之前投放的椭圆形颗粒是否相交，如若相交则舍去当前随机生成的椭圆形颗粒，如若不相交则继续往下随机生成椭圆形颗粒。这种方法虽然能够较为容易地得到随机分布的颗粒增强复合材料的细观仿真模型，但是该方法得到的细观仿真模型只具有较低的颗粒堆积密度因而无法模拟高含量颗粒增强复合材料的细观结构。另外，界面广泛地存在于各种非均质复合材料中，它的细观结构特征对材料的宏观力学和传输性能具有显著的影响。对于界面过渡区的细观模拟，国内外学者采用的是在椭圆形颗粒外表面嵌套一层大椭圆来近似表征等厚度的界面层。然而，该方法只有在椭圆的长径比(长轴与短轴之比)较小的情况下具有较好的近似效果，当椭圆的长径比变大时，在椭圆形颗粒长轴两端的近似效果不理想。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了具有周期性边界的二维高含量颗粒增强复合材料三相细观模型及建立方法，由高密度椭圆形颗粒、真实界面层与基体组成的三相颗粒增强复合材料细观模型，解决了以往数值模拟中非球形颗粒含量低、界面难以精确构造、周期性边界操作繁琐等技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

二维高含量颗粒增强复合材料三相细观模型的建立方法，二维高含量颗粒增强复合材料三相细观仿真模型包括基体、界面层及增强颗粒的三相复合材料，所述增强颗粒随机紧密地堆积在基体内，每个增强颗粒周围都包裹有厚度相等的界面层，建立方法包括如下步骤：

A、在大正方形区域的每个小区域内随机生成椭圆形增强颗粒；

B、消除大正方形区域任意相邻的两边界并复制与未消除边界相邻的椭圆形增强颗粒至已消除边界的位置以形成大正方形区域的新边界，以相同的速率移动未消除边界，周而复始地，构建大正方形区域的新边界并以相同速率移动未消除边界直至椭圆形增强颗粒的面积分数满足要求；

C、按照临近大正方形区域最新边界形成过程中所消除边界的椭圆形增强颗粒的分布方式，在大正方形区域最新边界形成过程中未消除边界的外部布局新的椭圆形增强颗粒以形成具有周期性边界条件的增强颗粒堆积模型；