[发明专利]重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用

说明书

本发明属于复合材料重构相关技术领域，其公开了一种重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用。该方法包括：获取待重构多组分复合材料的颗粒形貌以及内部晶体结构，针对不同的晶体形貌生成对应的晶体模板；基于所述颗粒的形貌重构颗粒的表面网格，并生成包围所述表面网格的球体；在球体内生成晶体模板；获取每一晶体模板的顶点信息并存储与对应数组中；在球体内重新填充多个球单元，判断该球单元是否在晶体模板内，若在则删除，否则保留；以颗粒的形貌为目标进行压缩得到重构的颗粒，依此方式重构组成多组分复合材料的所有颗粒，然后将获得的所有颗粒自然堆积即获得重构的多组分复合材料。本申请能够真实模拟出多组分复合材料的微观结构。

技术领域

本发明属于复合材料重构相关技术领域，更具体地，涉及一种重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用。

背景技术

土石混合体(soil-rock mixture，SRM)是由较大的块石、细粒土体和孔隙等所构成的一种非均质、非连续、非线性的特殊地质体，具有复杂的力学性质和变形破坏机制，在自然界中分布非常广泛，尤其是在长江三峡地区，金沙江，澜沧江等西南地区以及东南沿海地区均有大量分布。另外，在采矿工程及建模工程中产生的废弃矿料堆、建筑垃圾等也可认为是特殊类型的土石混合体，若处理不当也会引发灾难性后果。传统的宏观连续介质力学模型及相应理论分析和数值模拟忽略了岩石材料的内部结构特征，特别是不同尺度下的土石混合体渐进破坏特性的研究，基于对土石混合体的宏细观力学的研究有助于我们进一步科学全面的剖析该类土体的变形破坏机理和演化过程。因此，如何重构具有真实形态的非均质含碎石黏土颗粒数值模型，探究其孔隙分布、破碎行为以及组构演化规律对解释其微观李旭特性具有重要意义。

现有技术中，尤其是在材料工程领域，现代粉体颗粒材料成型正朝着高生产率、高性能、高致密化和低成本等方向发展，就高聚物粘结炸药粉末压制成型理论而言，大量学者对药粉压制成型工艺进行了相关研究，主要包括：药粉压制成型过程中密度演化规律、压制成型后晶体损伤识别等。但目前关于药粉压制成型工艺参数对密度影响的研究工作还主要集中于定性描述的阶段，尚未深入研究工艺参数与孔隙率之间的定量关系，如何重构具有真实形态的复合粉末数值模型探究成型过程中药粉力学特性(颗粒分布、孔隙变化、晶体破碎、界面行为等)对定量描述成型工艺参数与其成型质量具有重要意义。

近年来，随着CT断层扫描技术的高速发展为从微米尺度上细致研究颗粒材料微观结构(即颗粒形态和内孔隙结构)对其微观力学行为的影响进而探究其破碎行为本质提供了可能，大量学者开始关注于土体的微观土力学行为以及颗粒材料压制成型的微观机理。中国专利CN107730513B公开了一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其采用CT扫描技术研究了微型土力学试验中不同加载阶段的沙土颗粒，以追踪所有沙土颗粒的运动行为，但其只能捕捉颗粒的表面形态，对材料的种类并不具备识别性，对多组分复合颗粒的的运动、变形、破碎行为以及颗粒内部晶体破碎、界面行为和组构演化规律等并不能进行表征，而现实生活中尤其是岩土工程领域，岩土中95％以上均是多组分颗粒，因此，构建新的研究方法以实现对其准确表征多组分颗粒的微观性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种重构多组分复合材料的离散元建模方法及应用。通过CT扫描技术获得多组分复合材料中颗粒的形貌，通过SEM扫描获得颗粒中晶体的形貌，进而可以根据晶体的形貌构建与其相似的晶体模板，组分不同晶体模板的结构不同，对晶体模板进行堆积并对晶体模板内的晶胞之间设置相应的连接方式，并对晶体模板间的间隙进行填充以模拟真实多组分复合材料的连接结构。基于颗粒属性构建接触属性，能够充分反映晶体破碎、胶结材料脱落、胶结材料与晶体的脱粘行为，更加真实的反映复合材料的力学性能。