[发明专利]一种建立多晶体几何模型的方法

说明书

本发明公开了一种建立多晶体几何模型的方法，本发明主要包括：首先在一个原始立方体内生成一系列随机种子点，以任一种子点为中心建立一个种子立方体；然后由该种子点与其周围分布的种子点之间生成若干中心对称面，用上述中心对称面对该种子点对应的种子立方体进行几何切割，将切割得到的多面体与原始立方体进行布尔相交运算，即得到该种子点所对应的晶粒的多面体几何模型；对每一个种子点依次进行上述几何操作，最终得到多晶体微观结构的几何模型。本发明基于UG/OPEN API编程在CAD软件中建立多晶体的三维几何模型，操作简单，通俗易懂，易于编程实现，构建的几何模型可直接用于有限元分析，为后续基于多晶体微观结构几何模型研究材料的力学性能奠定基础。

技术领域

本发明涉及材料结构建模技术领域，具体地说是一种基于Voronoi图空间分割原理，利用UG/OPEN API编程构建多晶体微观结构几何建模的方法。

背景技术

在对多晶材料进行塑性变形研究时，合适的多晶体几何模型的建立是尤为重要的。早期研究的模型是根据经典塑性理论建立的，经典塑性理论建立在均匀连续介质假设和宏观唯象实验的基础上，对于解决如大变形、织构形成和演化、塑性各向异性、变形局部化、高温和高应变等现代工程实际和高技术领域所面临的问题，有着很大局限性。因此要想解决这些问题就需要从微观层次构建更加符合实际的模型。而且随着计算机技术的迅速发展、各种实验测量技术的发展完善，为多晶材料的研究提供了更加符合实际、更加复杂理论的物质条件。

通常研究多晶变形的有限元模型多以正六边形或以每一个单元代表一个晶粒，这种类似的建模方法无法对细观结构下晶粒内部变形的不均匀性进行研究，而且不能够描述晶界对多晶材料的影响，导致无法研究晶粒演变之间的关系。

由于实际工程材料晶粒大小不一，形状各异，建立与实际组织相近的多晶几何模型是目前有限元分析的关键，其中包括建立符合实际形状的晶粒，以及适合的晶界有限元模型。

现有一些利用扫描电镜等电子设备，通过电子设备扫描样品的表面信息，经过后期处理信息合成相应的晶体模型。这种方法工作量大，最终构建出的模型与真实模型差距比较明显。而且通常由X射线测定的晶体学织构是从统计学的角度出发观察多晶体取向分布状况, 因而是从宏观的角度分析问题. 宏观织构往往不能确定微观结构和晶粒的单个取向。

目前多晶体建模应用较多的有Voronoi图、蒙特卡罗和元胞自动机等，其中蒙特卡罗由于对基础风险因素的一些假设，使得存在模型风险，计算量大，准确性的提高速度慢，如果计算机模拟产生的是伪随机数，那么可能导致错误结果。

再结晶模拟的元胞自动机方法是Hesselbarth等提出的，他们建立的模型由于结构简单，易于将复杂的物理现象用简单的转化规则表达出来，但其中也有一些问题没有解决，如再结晶分数-时间关系的定量描述、晶粒尺寸的分布规律及如何显示微观组织演化过程等。

Voronoi图的方法可以与有限元方法相耦合来建立多晶有限元模型，所建立的模型能灵活地分析不同材料微结构演变的物理机制，而且存储数据少，计算速度快，因此Voronoi图方法在国内外得到了广泛的应用。

因为Voronoi图的独特优势，研究者基于Voronoi原理发明了多种建模方式。如法国Quey R 团队在Linux系统中利用Neper软件生成Voronoi多晶模型，在Linux系统中安装运行Neper需要运用很多命令配置系统以及编译软件，操作繁琐而且对于没有Linux基础的研究者工作量较大。