[發(fā)明專利]一種非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910054500.6
• 申請(qǐng)日: 2019-01-21
• 公開（公告）號(hào): CN109829213B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張學(xué)習(xí);高翔;姜水清;高瑩;曾磊;韓修柱;耿林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué);北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/17;G06F30/25;G06F111/08;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽(yáng)光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 安琪

1.一種非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)的方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟一、選取增強(qiáng)體類型、尺寸及體積分?jǐn)?shù)；所述增強(qiáng)體類型包括：顆粒、短棒和晶須，顆粒的形狀包括：球體，六面體，二十面體，二十六面體；

步驟二、基于增強(qiáng)體的分布狀態(tài)構(gòu)建復(fù)合材料的三維代表性體積單元模型；其中，顆粒、短棒和晶須的分布狀態(tài)分別為：顆粒為隨機(jī)分布；短棒和晶須分別為完全隨機(jī)分布和定向分布；

步驟二所述隨機(jī)分布的具體建模過程包括：

第一步、計(jì)算單個(gè)增強(qiáng)體的體積：其中，顆粒的體積采用球體體積公式計(jì)算單個(gè)增強(qiáng)體的體積，短棒、晶須的體積采用圓柱體體積公式計(jì)算單個(gè)增強(qiáng)體的體積；

第二步、隨機(jī)旋轉(zhuǎn)所述增強(qiáng)體，分別繞Y軸Z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度分別為θ_rotate和φ_rotate；旋轉(zhuǎn)操作由旋轉(zhuǎn)矩陣計(jì)算表示：

第三步、將增強(qiáng)體移動(dòng)到隨機(jī)位置(xrandom，yrandom，zrandom)；

第四步、進(jìn)行兩個(gè)增強(qiáng)體的碰撞檢測(cè)，避免增強(qiáng)體相交；

第四步所述兩個(gè)增強(qiáng)體的碰撞檢測(cè)的碰撞條件為：

若兩個(gè)增強(qiáng)體均為球體，則碰撞檢測(cè)需滿足以下條件：

d_particle²＞＝(x₁-x₂)²+(y₁-y₂)²+(z₁-z₂)²

其中，(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)分別為兩個(gè)球體的球心坐標(biāo)，d_particle表示顆粒的直徑；

若兩個(gè)增強(qiáng)體為球體和多面體，則多面體的頂點(diǎn)不可在球體內(nèi)，碰撞檢測(cè)需滿足以下條件：

其中，x_vex，y_vex和z_vex表示多面體的頂點(diǎn)坐標(biāo)；x_sphere，y_sphere和z_sphere表示球體的球心坐標(biāo)；

若兩個(gè)增強(qiáng)體均為多面體，則其中一個(gè)多面體的頂點(diǎn)不可在另一個(gè)多面體內(nèi)；為方便判斷頂點(diǎn)與多面體的關(guān)系，將多面體劃分為若干四面體，若頂點(diǎn)不在所有四面體內(nèi)則頂點(diǎn)不在多面體內(nèi)；頂點(diǎn)(x₀，y₀，z₀)是否在四面體內(nèi)需以下判據(jù)：

其中，A(x_A，y_A，z_A)，B(x_B，y_B，z_B)，C(x_C，y_C，z_C)和D(x_D，y_D，z_D)分別為4面體ABCD中4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)；

若D₀、D₁、D₂、D₃、D₄同正或同負(fù)則頂點(diǎn)在四面體內(nèi)，否則頂點(diǎn)在四面體外；

第五步、檢測(cè)增強(qiáng)體的總體積是否達(dá)到體積分?jǐn)?shù)，若滿足則建模過程結(jié)束，否則再次添加增強(qiáng)體；

步驟二所述定向分布的具體建模過程包括：

第1步、計(jì)算單個(gè)增強(qiáng)體的體積：

顆粒的體積采用球體體積公式計(jì)算單個(gè)增強(qiáng)體的體積，所述球體體積公式包括：

其中，d_particle表示顆粒的直徑；

短棒、晶須的體積采用圓柱體體積公式計(jì)算單個(gè)增強(qiáng)體的體積，所述圓柱體體積公式包括：

其中，d_section表示短棒、晶須的截面直徑；a表示短棒、晶須的長(zhǎng)度；

第2步、定向旋轉(zhuǎn)所述增強(qiáng)體，其中，所述短棒、晶須平行于向量則定向旋轉(zhuǎn)矩陣具體為：

其中，θ為短棒、晶須繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度；

第3步、將增強(qiáng)體移動(dòng)到隨機(jī)位置(xrandom，yrandom，zrandom)；

第4步、進(jìn)行兩個(gè)增強(qiáng)體的碰撞檢測(cè)，避免增強(qiáng)體相交；

第5步、檢測(cè)增強(qiáng)體的總體積是否達(dá)到體積分?jǐn)?shù)，若滿足則建模過程結(jié)束，否則再次添加增強(qiáng)體；

步驟三、對(duì)復(fù)合材料的三維代表性體積單元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

步驟四、通過模型計(jì)算來修正金屬基體和增強(qiáng)體的強(qiáng)度，獲得修正后的材料屬性；將修正后的材料屬性賦予復(fù)合材料三維代表性體積單元模型；其中，金屬基體強(qiáng)度采用Taylor等效塑性應(yīng)變模型進(jìn)行強(qiáng)度修正；增強(qiáng)體的斷裂強(qiáng)度采用Griffith斷裂模型進(jìn)行修正；

步驟五、為三維代表性體積單元模型施加邊界條件，選取固定的O點(diǎn)(0，0，0)和加載點(diǎn)RF(100，100，100)，對(duì)面x＝0上的所有節(jié)點(diǎn)施加約束使之與O點(diǎn)具有相同的x坐標(biāo)，即節(jié)點(diǎn)始終保持在x＝0平面上；面y＝0上的所有節(jié)點(diǎn)始終在y＝0平面上；面z＝0上的所有節(jié)點(diǎn)始終在z＝0平面上；對(duì)面x＝100上的所有節(jié)點(diǎn)施加約束使之與RF點(diǎn)具有相同的x坐標(biāo)；面y＝100上的所有節(jié)點(diǎn)與RF點(diǎn)具有相同的y坐標(biāo)；面z＝100上的所有節(jié)點(diǎn)與RF點(diǎn)具有相同的z坐標(biāo)；對(duì)加載點(diǎn)RF施加x方向的位移載荷，最大載荷為8，即8％的應(yīng)變量，載荷的應(yīng)變速率為4×10^-4s^-1；

步驟六：對(duì)復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得復(fù)合材料在室溫下的應(yīng)力應(yīng)變曲線并確定材料的變形、斷裂行為。