[发明专利]单向长纤维增强复合材料中纤维随机分布生成方法

说明书

本发明公开了一种单向长纤维增强复合材料中纤维随机分布生成方法。根据输入参数确定纤维初始分布，为纤维赋予初速度，调整窗口对应位置纤维的速度使其相等。进行第一阶段循环碰撞，根据纤维与窗口的位置关系对纤维进行增加、删除或修改使纤维相对于窗口随机分布且保持几何边界周期性，考虑纤维间的碰撞以更新速度。达到第一阶段最大循环数后，进行第二阶段循环碰撞，考虑纤维和窗口以及纤维和纤维间的碰撞以更新速度。调整纤维与窗口的距离以免其过小。达到第一阶段最大循环数后输出纤维分布结果。本发明适用性强，运算效率高，方法操作简单，易于编程实现。

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及单向长纤维增强复合材料中纤维随机分布生成方法。

背景技术

纤维增强复合材料以其所具有的高比强、高比模量和良好的损伤容限等优良特性而被广泛应用航空、航天领域。然而，由于其内部构造复杂，多相(集体相、增强相、界面相)夹杂，分析尺度横跨微观、细观和宏观，也使相关问题的求解变得十分复杂。为此，研究人员提出若干多尺度分析方法。其中，以代表性体积元法(RVE)构造微结构模型进行计算能有效的解决复合材料多尺度下的分析问题，是近年来微细观力学的研究热点之一。

纤维增强复合材料受生产工艺的影响，其纤维在横截面上呈随机分布，对材料力学性能产生重大影响，导致力学性能分散性较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出单向长纤维增强复合材料中纤维随机分布生成方法，具体技术方案如下：

一种单向长纤维复合材料中纤维随机分布生成方法，包括以下步骤：

(1)根据输入参数确定窗口长、宽和纤维初始分布，为纤维赋予初速度；

(2)根据纤维位置和纤维半径确定纤维位置状态，调整窗口对应位置纤维的速度使其相等；

(3)第一阶段循环碰撞，使纤维相对于窗口边界随机分布；根据纤维速度更新每个时间步下的纤维位置和位置状态，根据纤维位置状态的变化调整纤维，考虑纤维间碰撞以更新速度，重复操作直至第一阶段最大循环数；

(4)第二阶段循环碰撞，根据纤维速度更新每个时间步下的纤维位置和位置状态，考虑纤维和窗口的碰撞以更新速度，考虑纤维间碰撞以更新速度，重复操作直至第二阶段最大循环数；

(5)输出纤维分布结果。

进一步的，步骤(1)所述输入参数包括纤维初始分布规律、纤维行数m、每行纤维个数n、纤维半径r、纤维体积含量V_f、极限碰撞距离、最大速度与最小间距的比值。根据纤维体积含量V_f和纤维半径r确定RVE窗口长L_G、窗口宽W_G和纤维初始位置。为每个纤维赋予随机初速度，各纤维的速度绝对值不大于初始分布中任意两纤维最小距离的G_V倍。保持窗口边界上对应位置纤维的速度相等。

进一步的，步骤(2)所述纤维位置状态包括窗口内部、窗口线边界、窗口角边界和窗口外部，所述窗口内部，纤维圆平行于窗口的外接正方形位于窗口内部，用C表示；所述窗口线边界，纤维圆平行于窗口的外接正方形与1条窗口边界相交，用U、D、L和R表示，分别对应上、下、左和右边界；所述窗口角边界，纤维圆平行于窗口的外接正方形与2条窗口边界相交，用LU、LD、RU和RD表示，分别对应左上、左下、右上和右下角边界；所述窗口外部，纤维圆平行于窗口的外接正方形位于窗口外部，用O表示。

进一步的，所述步骤(3)包括以下步骤：

3.1)根据纤维速度对每个时间步下的纤维位置进行更新；