[發明專利]插入cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料微觀建模方法

有效

• 申請號: 202011477041.1
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112487691B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 陳新;梁贏東;陳遼原;于天彪;趙繼
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/25;G06F113/26
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明提供一種插入cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料微觀有限元建模方法，包括以下步驟：簡化材料結構并構建微觀模型；分析復合材料中顆粒相、基體相和界面相的尺寸參數及成分占比；設置基體區域，所有增強相顆粒均在所述基體區域內生成；根據所述基體區域通過隨機分布算法建立顆粒隨機分布增強復合材料模型；通過中性軸算法對所述顆粒隨機分布增強復合材料模型進行網格劃分；基于有網格的有限元模型，建立插入0厚度cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料模型；獲取整體模型。本發明為建立插入cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料有限元模型提供了經濟而有效的方法，此方法適用于不同材質顆粒增強的復合材料，為有限元模擬提供了更好的基礎，同時減少此類材料的實驗加工的成本。

技術領域

本發明涉及有限元建模技術領域，具體而言，尤其涉及一種插入cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料微觀有限元建模方法。

背景技術

近年來，隨著現代先進制造技術和材料科學的快速發展，傳統單相金屬材料在眾多領域已然無法滿足新時代中國追求的高質量發展要求，而顆粒增強復合材料是將基體良好的韌性、可成型性和導電導熱等優點和增強相的高硬度、高彈性模量、低熱膨脹、剪切強度及屏蔽吸波等優點結合在一起，形成的一種兼具基體和增強相獨特性能的嶄新材料，由于其優異的機械性能和強化顆粒的結構優化越來越受到學者的關注，并在航空航天、汽車制造業、海洋應用、軍工裝備制造等先進領域有著廣泛的應用，正逐步取代傳統材料成為21世紀最具發展前景的材料之一。

增強相顆粒的不均勻性使得顆粒增強復合材料的加工變得困難及具有挑戰性，同時大量的實驗以及測試消耗了過多的資金但帶來的效益不高，因此研究人員致力于開發各種數值和分析模型來作為昂貴加工試驗的替代方法。有限元建模是眾多科學家用來理解機械加工過程機理的最有力的數值技術之一。與其他分析建模技術不同的是，非線性和材料特性在有限元分析中是最重要的。因此針對這個問題，有必要開發顆粒增強復合材料的數值建模方法。

發明內容

根據上述提出增強相顆粒的不均勻性使得顆粒增強復合材料的加工變得困難及具有挑戰性，同時大量的實驗以及測試消耗了過多的資金但帶來的效益不高的技術問題，而提供一種插入cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料微觀有限元建模方法。本發明主要利用一種插入cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料微觀有限元建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：通過掃描電鏡觀察多種顆粒增強復合材料的微觀組織結構，獲取微觀組織結構并從微觀角度分析顆粒增強復合材料的實際結構，將所述顆粒形狀的實際結構簡化為正圓形，在正圓形基礎上構建微觀模型；

步驟2：根據所述微觀組織結構圖，分析復合材料中顆粒相、基體相和界面相的尺寸參數及成分占比，設所述顆粒相、基體相和界面相中最大半徑為r_max，顆粒最小半徑為r_min，基體的區域為長為a、寬為b，顆粒之間的最小距離為d_min，所述材料中所述顆粒的個數為n_p；

步驟3：設置一個長為a、寬為b的長方形窗口，作為基體區域，所有增強相顆粒均在所述基體區域內生成；

步驟4：根據所述基體區域通過隨機分布算法建立顆粒隨機分布增強復合材料模型；

步驟5：通過中性軸算法對所述顆粒隨機分布增強復合材料模型進行網格劃分，將所述顆粒隨機分布增強復合材料模型網格劃分為4節點雙線性平面應變四邊形單元；

步驟6：基于有網格的有限元模型，通過二次編程建立界面相插入0厚度cohesive單元的所述顆粒隨機分布增強復合材料模型；

步驟7：基于所述界面插入0厚度cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料模型，再通過二次編程建立顆粒內部插入0厚度cohesive單元的顆粒隨機分布增強復合材料，獲取整體模型。

進一步地，所述步驟4還包括以下步驟：