[发明专利]一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法

说明书

本发明公开了一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，包括：对需要构建的二维微观构型进行几何参数描述；根据所述几何参数计算所述二维微观构型的代表单元的边长；确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数；对所述分布类型进行周期性结构判断；当所述分布类型为非周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建非周期性泰森多边形结构；当所述分布类型为周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建周期性泰森多边形结构；编写有限元软件接口插件程序并将所述泰森多边形结构导入所述有限元分析软件，根据点‑线‑面关系，构建单个胞元，并将所述胞元按比例缩放形成所述颗粒增强复合材料的所述分布类型的所述二维微观构型。

技术领域

本发明涉及复合材料有限元建模领域，具体涉及一种构建颗粒增强复合材料二维不同微观构型的数值模型的方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是将高强度的第二增强相添加到金属基体中制成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、耐磨损和导电导热性能好等优点，广泛应用于航空航天、电子、汽车及建筑等行业。还具有宏观各向同性、容易二次加工且制造工艺更为简单、造价更为低廉等优点，特别是Al基复合材料已经进入商业化生产阶段，具有巨大的应用潜力。

复合材料是微观结构敏感性材料，其强化和韧性损失行为都和复合材料微观构型如颗粒的大小、形状、含量及分布状态，界面的强度以及基体和颗粒的弹性失配以及热膨胀系数失配程度密切相关。充分理解微观构型和宏观性能之间的关联性对优化复合材料设计非常重要。由于真实的细观结构往往非常复杂，如何对复合材料的细观结构进行数学描述以及细观结构的数值重建和再现是迫切需要解决的问题。

对于复合材料的微观代表单元模型，目前有基于各种算法的数值重构模型和基于实验扫描复合材料实际微观结构建立的模型。大多数算法重构的模型仅考虑了颗粒随机分布的情况。而基于实际微观结构的模型对实验设备和技术要求较高、过程复杂且花费时间较长。对于团聚分布、层状分布、网状分布和双尺寸分布等典型复合非均匀微观构型，目前还没有有效的数值建模方法提出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是目前复合材料数值分析中的微观构型建模不能覆盖颗粒的团聚分布，层状分布，网状分布和双尺寸分布等非均匀分布问题，提供一种构建复合材料二维微观构型的方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种构建颗粒增强复合材料二维微观构型的方法，所述方法包括：

对需要构建的二维微观构型进行几何参数描述；

根据所述几何参数计算所述二维微观构型的代表单元的边长；

确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数；

对所述分布类型进行周期性结构判断；

当所述分布类型为非周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建非周期性泰森多边形结构；

当所述分布类型为周期性结构时根据所述几何参数和所述分布参数构建周期性泰森多边形结构；

编写有限元软件接口插件程序并将所述泰森多边形结构导入所述有限元分析软件，根据点-线-面关系，构建单个胞元，并将所述胞元按比例缩放形成所述颗粒增强复合材料的所述分布类型的所述二维微观构型。

较佳地，所述确定所述二维微观构型的分布类型和分布参数包括：

当所述分布类型为随机分布时，对所述分布类型进行所述周期性结构判断；

当所述分布类型不为所述随机分布时，确定所述分布类型的颗粒分布非均匀度，并进一步判断是否为网状分布或双尺寸分布；

当所述分布类型不为所述网状分布或所述双尺寸分布时，确定所述分布类型是否为圆形团聚分布，方形团聚分布或层状分布，并对所述分布类型进行所述周期性结构判断；