[發明專利]一種用于VCFEM分析的高體積分數RVE模型生成方法

有效

• 申請號: 201611047164.5
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106650018B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 申柳雷;申志彬;李海陽;姜人偉;李晶鈺;馬浩
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 43008 湖南兆弘專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 趙洪;譚武藝

本發明公開了一種用于VCFEM分析的高體積分數RVE模型生成方法，步驟包括：輸入顆粒增強復合材料的參數，估計RVE模型尺寸，確定最小級配夾雜顆粒的數量，從已有最小等圓/球裝載最佳方案中選擇對應的n個顆粒的裝載方案得到相應的圓/球心位置和半徑并產生符合周期性邊界條件的RVE模型，根據RVE模型的顆粒是否為橢圓/球顆粒將圓/球形顆粒變換為橢圓/球顆粒，將顆粒轉變為多邊形/多面體，并通過多次計算得到最佳RVE模型尺寸，最終輸出RVE模型的參數。本發明能夠根據顆粒增強復合材料的體積分數、粒徑級配的拓撲參數，高效、簡明地生成適用于VCFEM分析的周期性數值分析模型，可用于高填充比、多級配和不同顆粒形狀復合材料的跨尺度分析。

技術領域

本發明涉及材料的VCFEM有限元分析技術領域，具體涉及一種用于VCFEM(VoronoiCell Finite Element Method，Voronoi單元有限元法)分析的高體積分數RVE(Representative Volume Element，等效體積單元)模型生成方法，能夠根據顆粒增強復合材料的體積分數、粒徑級配的拓撲參數，高效、簡明地生成適用于VCFEM分析的周期性數值分析模型。

背景技術

從細觀尺度出發，建立反映顆粒增強復合材料真實結構的RVE模型，結合有限元和均勻化方法預測材料等效力學性能參數是一種常用的研究顆粒增強復合材料力學參數的方法。VCFEM是一種基于Voronoi網格的雜交應力有限元方法，該方法根據顆粒中心將求解區域劃分為相應數量的Voronoi多邊形，每一個含顆粒的Voronoi多邊形視為一個分析單元，由于Voronoi多邊形通常不是四邊形或三角形，所以采用雜交應力有限元方法比傳統的位移有限元方法更加精確和高效。考慮到根據隨機生成的顆粒中心產生的Voronoi網格往往很不規則，由于常用的球形顆粒的半徑不能超過中心點和邊界的距離(否則會導致顆粒被邊界分割，產生不能采用雜交有限元方法進行分析的單元)，而這種半徑大小的受限很可能導致一個Voronoi多邊形單元內距離中心點較遠的部分不能被顆粒填充，從而不能產生很高體積分數的Voronoi網格模型。

發明內容

本發明要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，提供一種能夠根據顆粒增強復合材料的體積分數、粒徑級配的拓撲參數，高效、簡明地生成適用于VCFEM分析的周期性數值分析模型，可用于高填充比、多級配和不同顆粒形狀復合材料的跨尺度分析的用于VCFEM分析的高體積分數RVE模型生成方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一方面，面向二維RVE模型，本發明提供一種用于VCFEM分析的高體積分數RVE模型生成方法，步驟包括：

1)輸入顆粒增強復合材料的參數，所述參數包括各級級配的粒徑r_i以及體積分數V_fi，其中1≤i≤k，k為級配的級數；

2)分別將各級級配的粒徑r_i等效為最小級配粒徑r₁，根據最少需要的最小級配顆粒數量(n₁)_min以及等效系數m_i計算各級級配最少需要的顆粒數量(n_i)_min，累加各級級配最少所需的顆粒數量(n_i)_min得到總的顆粒數量，根據總的顆粒數量和最小級配粒徑r₁估計最小RVE模型尺寸(L_RVE)_min；在最小RVE模型尺寸的基礎上，基于逐步增大的倍增比例l來迭代計算RVE模型，當迭代連續若干次迭代收斂于某一個值時，將倍增比例l對最小RVE模型尺寸(L_RVE)_min進行倍增得到最佳的RVE模型尺寸L_RVE；