[發明專利]二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法

有效

• 申請號: 201710052505.6
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106777822B
• 公開（公告）日: 2019-02-12
• 發明（設計）人: 許文祥;徐彬彬;韓中美;楊楠山;蔣存存
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 熊玉瑋

本發明公開了二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法，屬于顆粒增強復合材料細觀仿真的技術領域。本發明在隨機產生橢圓增強顆粒的基礎上成功建立橢圓周圍等厚度界面拓撲結構的參數模型，進一步考慮顆粒在邊界或外荷載的推動下達到受力平衡的條件，成功實現顆粒緊密堆積在不斷向內收縮的給定區域內，且保證顆粒相互之間不發生重疊現象，構造出的顆粒增強復合材料細觀仿真模型具有自然隨機的周期性邊界，不存在周期邊界上顆粒的取舍問題，通過本發明提出的建模方法可以得到具有很高含量的顆粒增強復合材料細觀結構模型。

技術領域

本發明公開了二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法，屬于顆粒增強復合材料細觀仿真的技術領域。

背景技術

水泥基、陶瓷基、聚合物基等顆粒增強復合材料已經被廣泛運用于各種工程結構中。然而，由于顆粒增強復合材料細觀結構的隨機性和復雜性，試驗技術往往只能定性地測量其細觀結構且所得結果的精度經常受制于已有的試驗儀器精度和人為誤差。另外，理論方法在簡化實際物理模型的基礎上近似地計算相應的等效力學性能，需在諸如顆粒含量較低等很多限制條件才有效。隨著計算機硬件和軟件技術的飛速發展，通過計算機模擬顆粒增強復合材料的復雜細觀結構已經成為國際上非常值得期待的研究方向而且引起越來越多國內外學者的關注。數值模擬技術能否在克服以上試驗和理論方法缺陷的同時高效準確地計算高含量顆粒復合材料的力學性能面臨嚴峻挑戰。因此，建立一種高效復雜的顆粒增強復合材料細觀仿真模型以實現材料力學性能的進一步分析是十分必要的。

在二維顆粒增強復合材料細觀仿真模型的構造方法上，國內外的大部分學者是通過簡單地在一個給定的區域內隨機確定橢圓的中心坐標以及長軸與x軸的夾角，即隨機生成橢圓形顆粒，然后檢查當前隨機生成的橢圓形顆粒與之前投放的橢圓形顆粒是否相交，如若相交則舍去當前隨機生成的橢圓形顆粒，如若不相交則繼續往下隨機生成橢圓形顆粒。這種方法雖然能夠較為容易地得到隨機分布的顆粒增強復合材料的細觀仿真模型，但是該方法得到的細觀仿真模型只具有較低的顆粒堆積密度因而無法模擬高含量顆粒增強復合材料的細觀結構。另外，界面廣泛地存在于各種非均質復合材料中，它的細觀結構特征對材料的宏觀力學和傳輸性能具有顯著的影響。對于界面過渡區的細觀模擬，國內外學者采用的是在橢圓形顆粒外表面嵌套一層大橢圓來近似表征等厚度的界面層。然而，該方法只有在橢圓的長徑比(長軸與短軸之比)較小的情況下具有較好的近似效果，當橢圓的長徑比變大時，在橢圓形顆粒長軸兩端的近似效果不理想。

發明內容

本發明的發明目的是針對上述背景技術的不足，提供了具有周期性邊界的二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法，由高密度橢圓形顆粒、真實界面層與基體組成的三相顆粒增強復合材料細觀模型，解決了以往數值模擬中非球形顆粒含量低、界面難以精確構造、周期性邊界操作繁瑣等技術問題。

本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：

二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法，二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀仿真模型包括基體、界面層及增強顆粒的三相復合材料，所述增強顆粒隨機緊密地堆積在基體內，每個增強顆粒周圍都包裹有厚度相等的界面層，建立方法包括如下步驟：

A、在大正方形區域的每個小區域內隨機生成橢圓形增強顆粒；

B、消除大正方形區域任意相鄰的兩邊界并復制與未消除邊界相鄰的橢圓形增強顆粒至已消除邊界的位置以形成大正方形區域的新邊界，以相同的速率移動未消除邊界，周而復始地，構建大正方形區域的新邊界并以相同速率移動未消除邊界直至橢圓形增強顆粒的面積分數滿足要求；

C、按照臨近大正方形區域最新邊界形成過程中所消除邊界的橢圓形增強顆粒的分布方式，在大正方形區域最新邊界形成過程中未消除邊界的外部布局新的橢圓形增強顆粒以形成具有周期性邊界條件的增強顆粒堆積模型；