[发明专利]一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法

说明书

本发明公开了一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法，包括以下步骤：确定模型边界；拟定所述模型中各尺寸范围内的颗粒相的体积和；生成所有尺寸范围内的颗粒模型的紧缩模型；将紧缩模型中各颗粒进行膨胀；得到高致密度的颗粒堆积模型。该方法可用于颗粒增强复合材料、软物质系颗粒材料、颗粒堆积材料等细观结构的建模，也可扩展应用至短纤维增强复合材料等。本发明解决了颗粒与模型边界存在交叉时的建模问题，能够应用于边缘经过机加工的复合材料试样的建模与分析。

技术领域

本发明属于计算材料学领域，具体涉及一种高致密度离散颗粒多相体系细观结构的中尺度建模方法，尤其涉及颗粒增强复合材料、软物质系颗粒材料、颗粒堆积材料等细观结构的建模方法，也可扩展应用至短纤维增强复合材料。

背景技术

在颗粒增强复合材料以及颗粒组成的软物质体系如混凝土和泥石流中，材料的性能如力学性能和传输性能，严重依赖于材料的细观结构。因此，针对这类材料的结构进行多尺度建模，对于材料的性能分析和材料结构的优化设计，均具有非常重要的意义。

颗粒材料作为复杂的多尺度离散介质,可以视为由不同尺度的颗粒组成的随机堆积结构。颗粒间的空隙通常充满着基体材料、界面、孔隙、或流体等介质。正确描述离散颗粒多相体系的性能，应首先正确描述该体系的多尺度结构，尤其是颗粒的堆积结构。

对于随机堆积的颗粒，目前主要采用的建模方法有随机投放法和Voronoi法等。随机投放法亦称蒙特卡洛法，它按照一定的次序在给定的时间和空间内逐一分配颗粒的位置,一旦分配成功,即为投放成功，该颗粒即被固定在所分配的位置上。蒙特卡洛法的执行效率很高,但颗粒的堆积密度却很低。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，从而难以将所有的颗粒都投放到有限的模型空间中，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。而Voronoi法虽然可以很容易地生成致密分布的随机颗粒，却无法控制颗粒的级配，即无法控制不同粒径的颗粒的体积比或重量比。另外，Voronoi法主要适合于凸形颗粒，而不适用于凹形、或凸形和凹形同时分布的情况。

中国专利文件201510345395.3公布了一种离散相增强复合材料细观结构的建模方法，该方法首先在一较大的空间中生成随机分布的颗粒，然后把颗粒表面划分为壳单元，并模拟颗粒的自由落体运动，使之下落到一个较小的空间中，从而生成高致密度的颗粒堆积结构。最后，根据颗粒表面的壳单元，生成颗粒的实体单元，最终得到颗粒的有限元模型。该方法能够解决随机投放等方法颗粒相的堆积密度不足，以及Voronoi法不能用于凹形颗粒和不能控制颗粒级配等问题，但下落之后堆积体的上表面可能不平整，下落过程的计算也较为耗时，并且需要壳单元和实体单元两次网格划分，计算成本高。另外，当所有颗粒均在某个特定空间内部时，该方法非常有效，但是，当颗粒与模型边界存在交叉时，则需要进行特殊处理。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法，该方法通过缩胀原理，可以对颗粒增强复合材料、软物质系颗粒材料、颗粒堆积材料、短纤维增强复合材料等，进行高致密度细观结构建模，该方法具备中国专利文件201510345395.3所述发明的优势，并具有方法简单、适应性广、计算效率高等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高致密度离散颗粒多相体系的建模方法，包括以下步骤：

(1)拟定模型的轮廓形状和尺寸，即确定建模空间及其边界；

(2)根据预定的级配，拟定各尺寸范围内的颗粒的体积和，即设定i～j尺寸范围内的颗粒相的体积和为V_(i-j)；

(3)在所述建模空间内，随机获得在i×α～j×α尺寸范围内的若干个颗粒模型，其中，α<1，使各个颗粒模型的体积和为V_(i-j)×β，各个颗粒均与周围的颗粒之间不发生干涉，由此获了i～j尺寸范围内的各颗粒的紧缩模型；