[发明专利]一种复合材料的热导率研究仿真和建模方法

摘要

本发明公开了一种复合材料的热导率研究仿真和建模方法，包括可控性单根碳纳米管模型自动化生成、可控性团聚碳纳米管模型自动化生成和有限元计算，与现有技术相比，本发明采用有限元法建立空间弯曲随机分布碳纳米管/环氧树脂复合材料三维数值模型揭示其导热机理，主要保护可控性碳纳米管的自动化生成过程的仿真和建模方法，为将来的技术研究奠定基础。

主权项

1.一种复合材料的热导率研究仿真和建模方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)可控性单根碳纳米管模型自动化生成：在现有计算资源条件下，将碳纳米管直径设为1nm，初始长度设为100nm，为在ANSYS有限元软件中顺利生成此模型，采用多段直圆柱拼接并在交接点处以圆弧连接的方法来生成空间弯曲碳纳米管，利用matlab软件生成第一段直圆柱，其位置和方向是随机的，生成第一段直圆柱碳纳米管后，根据设定的弯曲角度以第一段直圆柱的终点作为第二段直圆柱的起点生成后面的碳纳米管，前后两者夹角在控制的角度范围内，两段直圆柱之间再处以圆弧连接，圆弧曲率可控，模型中碳纳米管弯曲控制在0-96°间，依次类推，直到总的碳纳米管长度达到设定的长度，即生成单根3D-蠕虫状碳纳米管；生成第一根CNT之后，后续生成的碳纳米管需要探测其与之前生成的碳纳米管之间的干涉情况，即接触深度，若接触深度大于设定值则弃之不用，继续生成；(2)可控性团聚碳纳米管模型自动化生成：通过控制团聚碳纳米管的组数和每组碳纳米管包含的碳纳米管根数来控制碳纳米管的团聚程度。首先在100×100×100nm3体积范围内随机生成一个团聚点，然后在这个团聚点附近生成一定数目的碳纳米管，这样一组团聚碳纳米管就生成了，其余团聚碳纳米管同样按照这样的方法生成，直到达到了预先设置的团聚程度为止，剩下的碳纳米管随机分布以保证模型中碳纳米管体积含量相同；(3)有限元计算：使用100×100×100nm3的立方体作为代表性体积元求解域，热导率Kc计算公式: k c = q z Δ z T Z + - T Z - - - - ( 1 ) ]]>其中kc是复合材料热导率，单位是w/(m·k)；Tz+是施加热流面的平均温度,单位是k；Tz-是施加常温面的平均温度，单位是k；qz是在热流面施加的热流密度，单位是w/m2；Δz是热流面与常温面之间的距离，单位是m；利用统计学方法在模型六个面上各施加一次热流载荷，相应的对面施加常温载荷，每一对面都可以计算出一个热导率，最终复合材料热导率取六次热导率计算结果的平均值。