[發(fā)明專(zhuān)利]基于離散元的單向增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體元的生成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810049537.5
• 申請(qǐng)日: 2018-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108304628B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 費(fèi)慶國(guó);柳友志;張大海;張培偉;王猛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于離散元的單向增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體元的生成方法，屬于復(fù)合材料仿真以及數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：給定RVE的幾何尺寸、纖維體積分?jǐn)?shù)和纖維半徑，其中纖維橫截面為圓形，生成過(guò)程中將纖維視為基本的離散元，RVE剩余部分視為基體，即可生成滿(mǎn)足參數(shù)的代表性體元；生成纖維的過(guò)程是隨機(jī)的，生成的纖維在空間上是周期性分布的，即纖維在代表性體元的上邊界和下邊界、左邊界和右邊界的分布規(guī)律完全一致，所生成的代表性體元不依賴(lài)?yán)w維的預(yù)先分布和排列，能夠得到纖維體積分?jǐn)?shù)很大的代表性體元。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料代表性體元仿真方法，具體涉及一種基于離散元法的單向增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體元的生成方法。

背景技術(shù)

復(fù)合材料的應(yīng)用越來(lái)越廣，但其性能的研究仍然存在很多未解決的問(wèn)題。單向增強(qiáng)作為最簡(jiǎn)單的一種復(fù)合方式，其性能研究一直是研究熱點(diǎn)。其中最為優(yōu)選的方法即通過(guò)數(shù)值模擬獲得不同工況下的力學(xué)性能，而結(jié)果正確可靠的保證之一就是獲得正確的代表性體元模型。

傳統(tǒng)的生成單向增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體元(Representative Volume Element，RVE)的方法有直接法、圖像法以及利用算法生成。直接法是假設(shè)纖維的分布滿(mǎn)足理想分布，如四邊形排列、密六方排列等，但這種假設(shè)方式過(guò)于理想，實(shí)際仿真得到的結(jié)果往往與實(shí)驗(yàn)值有較大偏差。圖像法是指利用單向增強(qiáng)復(fù)合材料的橫截面掃描圖像進(jìn)行處理，從而得到真實(shí)的纖維分布數(shù)據(jù)，但這種方法操作過(guò)于繁雜，也無(wú)法對(duì)不同纖維分布下的復(fù)合材料性能進(jìn)行分析。

目前的RVE生成算法如攝動(dòng)法和雙攝動(dòng)法等都依賴(lài)?yán)w維的預(yù)先分布，即先給定纖維的分布，通過(guò)對(duì)部分纖維擾動(dòng)或攝動(dòng)，最終得到纖維的分布結(jié)果。但這種處理方式很大程度上依賴(lài)?yán)w維的預(yù)先分布，為了給攝動(dòng)留下位置空間，所生成的代表性體元的體積分?jǐn)?shù)往往較小。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于離散元的單向增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體元的生成方法，該生成過(guò)程不依賴(lài)?yán)w維的預(yù)先分布，能生成體積分?jǐn)?shù)很大的代表性體元。

技術(shù)方案：一種基于離散元的單向增強(qiáng)復(fù)合材料代表性體元的生成方法，包括以下步驟：

1)輸入目標(biāo)參數(shù)，包括RVE幾何尺寸(長(zhǎng)a、寬b)、目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)α、目標(biāo)纖維半徑R，其中纖維橫截面為圓形，根據(jù)目標(biāo)參數(shù)計(jì)算出生成模型的最終參數(shù)，包括纖維個(gè)數(shù)N和實(shí)際纖維體積分?jǐn)?shù)α’，計(jì)算方法分別為：

纖維個(gè)數(shù)：[]為取整符號(hào)；

實(shí)際體積分?jǐn)?shù)：

2)將纖維半徑縮小至使纖維在RVE內(nèi)全部不重疊生成的一個(gè)值，記為第一纖維半徑r1，并基于第一纖維半徑r1在目標(biāo)尺寸RVE中生成纖維。其中，第一纖維半徑r1具體計(jì)算方法為：其中調(diào)整因子k取值范圍2～4。

3)將纖維半徑擴(kuò)大至給定纖維半徑R，基于離散元法對(duì)生成的纖維進(jìn)行位置計(jì)算和判斷，并對(duì)超出RVE的纖維予以處理使最終生成的纖維呈周期性分布，得到纖維最終坐標(biāo)和半徑，具體包括以下步驟：

31)在每個(gè)計(jì)算循環(huán)內(nèi)，由離散元法計(jì)算出該循環(huán)結(jié)束時(shí)的纖維位置坐標(biāo)；

32)判斷纖維是否運(yùn)動(dòng)至RVE外，如果是，則在相對(duì)邊界外生成一等大纖維并賦相同速度，進(jìn)入下一步驟；如果否，直接進(jìn)入下一步驟；

33)判斷循環(huán)步驟是否達(dá)到上限，如果是，進(jìn)入下一步驟；如果否，使循環(huán)步驟遞增并返回第31)步；

34)使所有纖維靜止，記錄此時(shí)纖維坐標(biāo)，保留在RVE內(nèi)部的纖維部分。

4)將纖維坐標(biāo)及半徑按格式輸出，結(jié)合RVE的尺寸，可獲得RVE的二維圖形，根據(jù)需要，可將該二維圖形沿垂直平面方向拉伸，即可獲得RVE的三維圖形。