[发明专利]一种金属基复合材料双尺度耦合有限元模拟方法

说明书

本发明公开了一种金属基复合材料双尺度耦合有限元模拟方法，属于金属基复合材料变形工艺模拟技术领域。该方法通过数据库将金属基复合材料构件尺度模拟和增强体尺度模拟进行耦合，利用构件尺度模拟结果为增强体尺度模拟提供边界条件等数据，利用增强体尺度模拟为构件尺度模拟提供本构关系和刚度矩阵等数据，利用数据库连接增强体和构件两个尺度，以提高增强体尺度模拟的可复用性，提高计算效率。本方法实现了金属基复合材料在塑性加工过程中的双尺度耦合模拟，利用该双尺度耦合模拟方法可分析变形过程中两个尺度的流动变形行为，可辅助金属基复合材料塑性加工工艺设计，缩减工艺和模具设计的成本和周期。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料变形工艺模拟技术领域，具体涉及一种金属基复合材料双尺度耦合有限元模拟方法。

背景技术

金属基复合材料具有高比模量、高比强度和良好尺寸稳定性等单一金属材料不具备的优势，是航空航天、核电和兵器等多个关键领域的关键战略材料。SiC/Al复合材料已成功用于火星车轮、月壤钻采机构；B₄C/Al作为核电领域乏燃料存贮容器的关键材料也已取得成功应用。然而，因为增强相与金属基体性质差异巨大，导致金属基复合材料塑性加工过程中构件和增强体两个尺度的变形极其复杂。在构件塑性加工过程中，构件不同区域增强体和基体的变形流动行为各不相同，导致构件尺度各区域力学性能不尽相同，对构件的整体变形行为进行准确的数值预测十分困难。因此，难以像单一金属材料一样通过单一尺度数值模拟方法来调控变形加工工艺。因缺乏有效的数值模拟方法，导致目前金属基复合材料塑性加工过程控制困难，工艺调控试错成本高、周期长，限制了金属基复合材料的应用范围。因此，需要针对金属基复合材料变形加工过程中涉及的构件尺度和增强体尺度的变形行为，开发双尺度耦合的数值模拟方法，以实现金属基复合材料塑性加工过程中的双尺度数值模拟，从而辅助设计其塑性加工工艺。

目前针对复合材料的双尺度耦合模拟方法一般采用单向耦合模式，即只考虑构件尺度模拟结果为增强体尺度模拟结果提供边界条件，模拟构件不同区域的增强体和基体的变形流动，从而分析构件不同区域的力学性能，而不考虑增强体尺度的变化对构件尺度变形行为的影响。从增强体尺度到构件尺度的模拟，主要针对弹性变形或者小变形过程，例如文献(Engineering with Computers 35(2019)567–577)中对碳纤维增强复合材料增强体尺度进行小变形模拟，通过施加6种不同的边界条件进行模拟计算，为构件尺度的模拟提供等效模量、泊松比等参数。针对大的塑性变形过程的双尺度耦合模拟，需要考虑增强体尺度和构件尺度在变形加工过程中的双向耦合，计算过程中需要对增强体尺度设计复杂的边界条件，对构件尺度的每个单元的每一个增量步都进行增强体尺度的模拟计算，导致增强体尺度模拟的计算量与构件尺度网格数量成正比，增强体尺度的模拟计算不具备复用性，计算耗时过高，难以应用推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属基复合材料双尺度耦合有限元模拟方法，该方法通过数据库将金属基复合材料构件尺度模拟和增强体尺度模拟进行耦合，利用构件尺度模拟结果为增强体尺度模拟提供边界条件等数据，利用增强体尺度模拟为构件尺度模拟提供本构关系和刚度矩阵等数据，利用数据库连接增强体和构件两个尺度，以提高增强体尺度模拟的复用性，提高计算效率。本方法实现了金属基复合材料在塑性加工过程中的双尺度耦合模拟，利用该双尺度耦合模拟方法可分析变形过程中两个尺度的流动变形情况，可辅助金属基复合材料塑性加工工艺的设计，缩减工艺和模具设计的周期和成本。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种金属基复合材料双尺度耦合有限元模拟方法，该方法包含以下三个部分：

(1)数据库部分。

数据库储存内容主要是增强体尺度模拟计算的条件和结果，可以通过材料组分特征和边界条件等信息，查询增强体尺度变形之后的等效刚度矩阵、本构关系等计算结果。增强体尺度数据库的建立，保证了增强体尺度模拟结果具有可复用性。