[發(fā)明專利]一種基于隨機(jī)孔隙重構(gòu)的多尺度建模與仿真方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110005658.1
• 申請(qǐng)日: 2021-01-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113268897B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢(qián)誠(chéng);孫仲超;王自力;任羿;孫博;馮強(qiáng);楊德真
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

一種基于隨機(jī)孔隙重構(gòu)的多尺度建模與仿真方法，步驟如下：1.獲取仿真對(duì)象的微觀隨機(jī)孔隙形貌，重構(gòu)并建立仿真對(duì)象的隨機(jī)等效體積單元；2.利用參數(shù)化建模方法將仿真對(duì)象的隨機(jī)等效體積單元數(shù)值模型轉(zhuǎn)換至有限元仿真實(shí)體模型；3.開(kāi)展基于蒙特卡洛?有限元的微觀隨機(jī)等效體積單元仿真分析，獲取隨機(jī)等效體積單元力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布；4.建立仿真對(duì)象的宏觀有限元模型，從隨機(jī)等效體積單元楊氏模量與泊松比的統(tǒng)計(jì)分布中進(jìn)行隨機(jī)抽樣，并利用參數(shù)化命令定義為仿真對(duì)象宏觀模型網(wǎng)格的材料參數(shù)，重復(fù)上述操作直至全部網(wǎng)格被定義；5.開(kāi)展基于蒙特卡洛?有限元的宏觀模型仿真分析，獲取宏觀模型的楊氏模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布。

所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于隨機(jī)孔隙重構(gòu)的多尺度建模與仿真方法，屬于材料性能與可靠性預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

多尺度理論是針對(duì)不均質(zhì)材料的特性，分別從宏觀尺度，細(xì)觀尺度和微觀尺度等多個(gè)尺度對(duì)材料的性能進(jìn)行分析，其廣泛應(yīng)用于生物分析、材料分析、系統(tǒng)建模等多個(gè)方面。多尺度仿真也廣泛應(yīng)用于重視微觀結(jié)構(gòu)影響的宏觀材料性能分析工作中，如含有微觀孔隙的燒結(jié)材料、混凝土材料和復(fù)合材料等。

受限于模型尺寸與計(jì)算效率，基于多尺度理論的仿真分析在進(jìn)行宏觀尺度仿真分析時(shí)無(wú)法同時(shí)考慮所有微觀結(jié)構(gòu)，因此引入等效體積單元表征單元微觀結(jié)構(gòu)，從而降低仿真求解難度。考慮到微觀孔隙在材料中的分布通常是非周期的，向等效體積單元中引入隨機(jī)性因素建立隨機(jī)等效體積單元表征單元微觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性。

現(xiàn)實(shí)中存在著大量材料，其內(nèi)部微觀孔隙呈現(xiàn)出隨機(jī)分布的特征。例如在納米銀低溫?zé)Y(jié)材料中，由于特定的燒結(jié)機(jī)理，燒結(jié)接頭中會(huì)不可避免地存在隨機(jī)分布的孔隙，從而影響其電、機(jī)械與熱性能以及可靠性。在復(fù)合材料的制備中，由于工藝條件同樣會(huì)引入不可避免的孔隙。通過(guò)開(kāi)展多尺度建模與仿真可以深入分析上述材料內(nèi)部的隨機(jī)孔隙形貌對(duì)宏觀材料性能及不確定性的影響，獲取具有指定預(yù)期特性的材料制備工藝改進(jìn)方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于隨機(jī)孔隙重構(gòu)的多尺度建模與仿真方法，在考慮微觀孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，利用仿真分析的方法獲取含有微觀隨機(jī)孔隙的材料的性能參數(shù)。該方法在微觀尺度利用重構(gòu)方法建立材料的隨機(jī)等效體積單元，并基于有限元仿真技術(shù)開(kāi)展隨機(jī)等效體積單元的力學(xué)性能計(jì)算，獲取具有隨機(jī)尺寸、分布孔隙網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)等效體積單元的楊氏模量和泊松比的分布規(guī)律；在宏觀尺度，利用蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)抽樣獲取材料的物性參數(shù)，建立材料的多尺度仿真模型，用于開(kāi)展有限元仿真計(jì)算。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，具體步驟包括：

第一步：獲取仿真對(duì)象的微觀隨機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形貌，利用基于隨機(jī)介質(zhì)理論與相關(guān)性分析方法的隨機(jī)孔隙形貌重構(gòu)方法建立仿真對(duì)象的隨機(jī)等效體積單元；

第二步：以TXT文件作為建模媒介，記錄隨機(jī)等效體積單元的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特征，利用參數(shù)化建模方法將仿真對(duì)象的隨機(jī)等效體積單元數(shù)值模型轉(zhuǎn)換至有限元仿真模型；

第三步：開(kāi)展基于蒙特卡洛-有限元的微觀隨機(jī)等效體積單元仿真分析，獲取隨機(jī)等效體積單元的楊氏模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布；

第四步：建立仿真對(duì)象的宏觀有限元模型，從隨機(jī)等效體積單元楊氏模量與泊松比的統(tǒng)計(jì)分布中進(jìn)行隨機(jī)抽樣，利用參數(shù)化命令隨機(jī)選取仿真對(duì)象宏觀模型的網(wǎng)格，將抽取到的楊氏模量和泊松比定義為該網(wǎng)格的材料參數(shù)，重復(fù)上述操作直至宏觀模型網(wǎng)格的材料參數(shù)全部被定義；

第五步：開(kāi)展基于蒙特卡洛-有限元的宏觀模型仿真分析，獲取宏觀模型的楊氏模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布。

本發(fā)明通過(guò)以上步驟，面向具有微觀隨機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料提出了一套可以同時(shí)預(yù)測(cè)力學(xué)性能及其分散性的多尺度建模與仿真方法。