[发明专利]一种颗粒随机分布的复合材料2D细观结构建模方法

说明书

本发明提出了一种颗粒随机分布的复合材料2D细观结构建模方法，该方法可通过给定几何信息(包括基体大小、颗粒粒度分布、颗粒边数分布、颗粒长径比分布、体积分数)，来建立随机分布的颗粒增强复合材料2D细观结构模型，并将细观结构模型数据存储在xml数据文件中，该方法可对生成的2D细观模型中的颗粒粒度、边数、长径比进行统计分析，利用ABAQUS软件的脚本语言Python读取xml数据文件在ABAQUS完成几何模型创建，为细观有限元模型提供细观几何模型。

技术领域

本发明专利涉及一种颗粒随机分布的复合材料2D细观结构建模方法，属于复合材料细观结构建模领域。

背景技术

颗粒增强复合材料由于高比强度、高比刚度，同时还具有耐磨、耐腐蚀等特点，在航空航天、汽车、半导体等领域广泛应用，其性能很大程度上取决于材料组成和细观结构，因此研究颗粒增强复合材料细观结构对料性能的影响，是一个非常重要的课题。随着材料技术和有限元技术的发展，使得对复合材料细观结构的仿真研究成为一个热门研究方向。

在细观尺度上，颗粒增强复合材料可以看作是由随机分布的增强相弥散在连续性的基体材料中。例如铝基碳化硅复合材料，碳化硅颗粒为增强相，而铝合金为基体材料。目前对颗粒增强增复合材料细观结构仿真研究大多采用含有单个颗粒的代表单元或者随机分布的简单、单一形状的多颗粒细观结构模型，这种模型与材料实际的细观结构差别很大，不能代表一定的统一分布规律。

本发明专利旨在提出一种颗粒随机分布的复合材料2D细观结构建模方法，该方法可以建立一定体积分数的复合材料2D细观结构模型，颗粒形状为多边形，可以考虑增强颗粒的粒度、边数、长径比的分布，在建立细观模型后，可分析实际细观结构模型中的颗粒的粒度、边数、长径比的统计分布规律，并通过饼状图和立方图直观显示分布规律。

发明内容

本发明提出了一种颗粒随机分布的复合材料2D细观结构建模方法，其特征在于，通过给定几何信息，包括基体大小、颗粒粒度分布、颗粒边数分布、颗粒长径比分布、体积分数，来建立随机分布的颗粒增强复合材料细观几何模型。其建模流程如图1所示，具体步骤为：

(1)创建颗粒：根据给定的几何信息，如图2所示，选择其中的一组颗粒粒度、边数、长径比参数作为条件，创建随机多边形颗粒；

(2)随机放置颗粒：将步骤1中创建的颗粒在基体范围内进行随机的旋转和移动，将颗粒随机放置到基体中不同的位置；

(3)颗粒间干涉检查：计算新放置的颗粒与之前放置的颗粒是否干涉，如果干涉，则步骤重新执行步骤2，如果不干涉，则执行步骤4；

(4)基体-颗粒干涉检查：如果颗粒间不干涉，还需要计算颗粒与基体的边界是否干涉(即颗粒是否存在位于基体外的部分)，如果颗粒与基体边界干涉，则执行步骤5，如果颗粒与基体边界不干涉，则执行步骤6；

(5)颗粒切割：将颗粒位于基体外的部分进行切除，以获得完全位于基体边界内(包含边界)的多边形颗粒，将切割后的新的颗粒执行步骤6

(6)计算体积分数：计算步骤1中选择的分布条件下的体积分数是否满足要求，如果不满足，则重复执行步骤2到步骤6，如果满足，则在步骤1中选择其它的分布条件，重新执行步骤2到步骤6，直至所有的分布条件下的颗粒完全创建完成。

(7)几何信息保存：将上述创建的颗粒、基体和体积分数数据存储到xml数据文件中，便于数据的重新读取、分析和ABAQUS建模调用。

(8)几何数据分析：采用MATLAB读取xml数据文件，获取细观模型数据，可实现几何模型的显示、颗粒统计数据的显示，更加直观反映随机分布颗粒的统计分布特征。

(9)细观几何模型建立：在ABAQUS有限元分析软件中，采用Python二次开发脚本语言，读取xml数据文件中的几何信息，完成细观几何模型的创建，为后续的有限元分析提供几何模型。