[發明專利]二維多孔材料等效彈性模量的計算方法

無效

• 申請號: 201110280821.1
• 申請日: 2011-09-21
• 公開（公告）號: CN102436520A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 孫德強;衛延斌;劉淼
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 張瑞琪

技術領域

本發明屬于二維多孔材料靜力學性能參數計算技術領域，涉及一種二維多孔材料等效彈性模量的計算方法。

背景技術

二維多孔材料分為規則和不規則構型兩種，其中，規則構型二維多孔材料的常見結構形式有：三角形、交替三角形、長方形、交替長方形、凸六邊形、凹六邊形、稀疏X形、密集X形、圓形、橢圓形、瓦楞形以及正弦波形等。不管是何種構型的二維多孔材料，當沿著共面或異面的方向施加低速類靜態壓縮載荷時，應力應變曲線都會包含線彈性、塑性屈服、平臺區和密實化等變形過程。在線彈性變形階段應力應變曲線的斜率為對應加載方向上二維多孔材料的等效彈性模量。快速準確地計算某一方向上的等效彈性模量，對于評價二維多孔材料的靜力學性能具有重要的實際應用價值。

目前，確定二維多孔材料某一方向上等效彈性模量的方法有實驗法、理論法和有限元法。實驗法是按照ASTM(American?Society?of?Testing?Materials)等試驗標準中的相關標準進行類靜態壓縮試驗，從得到的試驗曲線上直接計算出相應的等效彈性模量。實驗法需要按照相關標準進行試驗，記錄響應曲線，操作過程比較繁瑣。而且實驗法中所用的試驗樣品來自實際生產，因生產工藝所限，不能得到尺寸足夠多的樣品來進行試驗。實驗法還會消耗樣品，不夠經濟。理論法是針對周期性規則二維多孔材料而言，截取其特征微單元，將其視為一定厚度的梁，根據某一方向上的宏觀應力求得特征單元上的等效力，據此推導計算相關等效彈性模量。理論法雖然可以計算各種結構規則的二維多孔材料的等效彈性模量，也不用消耗試驗樣品，但不適合計算不規則結構二維多孔材料的等效彈性模量。已有的有限元法是截取周期性二維多孔材料的特征單元作為計算模型，對模型施加周期性邊界條件，沿某一方向施加載荷，該載荷與理論法中得到的特征微單元的等效力相符，通過計算得到相應位移，結合微單元的原始尺寸最后計算求得相關的等效彈性模量(見孫德強，張衛紅，孫玉瑾.蜂窩鋁芯的彈性模量和材料效率分析[J].力學與實踐，2008，30(1)：35～40.)。該方法是基于特征單元的有限元法，雖然克服了實驗法的不經濟、樣品尺寸少等缺點，但周期性載荷施加復雜，甚至有時很難施加，而且不適合于計算不規則形狀的二維多孔材料的等效彈性模量。

發明內容

本發明目的是提供二維多孔材料等效彈性模量的計算方法，適用于規則和不規則構型二維多孔材料共異面方向上的等效模量的求解，且不受樣品尺寸限制，具有簡便性和快捷性。

本發明所采用的技術方案是，一種二維多孔材料等效彈性模量的計算方法，其特征在于，按照以下步驟進行：

步驟1、采用ANSYS/Multiphysics軟件，建立二維多孔材料有限元計算模型，利用線彈性多層殼單元Shell99將所述二維多孔材料有限元計算模型劃分網格，使殼單元的厚度等于所述二維多孔材料有限元計算模型中壁面的厚度；

將所述二維多孔材料有限元計算模型在等效彈性模量方向的底面定義為載荷固定端，將在等效彈性模量方向的頂面定義為載荷施加端，將載荷固定端上所有節點的位移和旋轉自由度約束為零，并在載荷施加端上所有節點沿等效彈性模量方向施加位移載荷Δl，啟動ANSYS/Multiphysics軟件，計算得到載荷固定端各節點沿等效彈性模量方向的合力∑F；

步驟2、計算所述二維多孔材料有限元計算模型的等效彈性模量E^*：E^*＝l×∑F/(s_L·s_W×Δl)，其中，l為該二維多孔材料有限元計算模型沿載荷方向上的長度，s_L為該二維多孔材料有限元計算模型沿載荷方向上橫截面的長度，s_W為該二維多孔材料有限元計算模型沿載荷方向上橫截面的寬度，∑F為該二維多孔材料有限元計算模型載荷固定端各節點沿等效彈性模量方向的合力，Δl為該二維多孔材料有限元計算模型載荷施加端上所有節點沿等效彈性模量方向施加的位移載荷。

步驟1中，位移載荷Δl的取值范圍為0.002～0.02mm。

本發明方法的有益效果是，僅需要在建立二維多孔材料有限元計算模型的基礎上，施加載荷即可求解，因此適用于規則和不規則兩種構型二維多孔材料共異面方向上的等效彈性模量的求解；其次，本方法借助于現有ANSYS/Multiphysics軟件，不需要施加周期性載荷，相比現有的有限元法來說實施起來更加簡單，因此運算量小，具有簡便性和快捷性；最后，其克服了實驗法尋找各種尺寸樣品難的問題，且不需要消耗樣品，更經濟可行。

附圖說明