[发明专利]一种多形态颗粒增强复合材料三维细观结构建模方法

说明书

本发明提出了一种多形态颗粒增强复合材料三维细观结构建模方法，该方法可以建立一定体积分数的多种形态颗粒的颗粒增强复合材料三维细观结构模型，颗粒的形状为随机多面体，随机多面体颗粒可通过三角剖分法、多边形拉伸法、多面体圆切法生成，也可以通过三种方法的复合方法来生成多面体颗粒，不同方法创建的颗粒具有不同的形态，将建立的细观结构模型一定的格式存储到数据文件中，可用MATLAB显示细观结构模型，并利用ABAQUS的脚本语言Python读取数据文件中的细观结构模型数据，在ABAQUS中建立三维细观结构模型。

技术领域

本发明专利涉及一种多形态颗粒增强复合材料三维细观结构建模方法，属于复合材料细观结构建模领域。

背景技术

颗粒增强复合材料是由弥散在基体中的增强颗粒和连续的金属或非金属基体复合而成的材料，它的性能既不同于基体材料，也不同于增强颗粒材料，具有高比强度、比刚度、低热膨胀等特点，同时还具有很强的耐磨性和耐腐蚀性，在航空、半导体等领域得到了广泛应用。颗粒增强复合材料的性能不仅由基体和颗粒的性能共同决定，同时还会受到颗粒的形状、颗粒的大小、颗粒的分布以及界面的影响。因此，为了研究颗粒增强复合材料的性能，必须要研究其细观结构。

目前，对三维颗粒增强复合材料的细观结构的仿真研究大多采用单颗粒的代表单元法，颗粒的形状大多为球体或立方体；而采用的多颗粒细观模型，颗粒形状相对单一，不能很好地代表复合材料中颗粒的实际分布情况。本发明专利提出一种多形态颗粒增强复合材料三维细观结构建模方法，该方法可以建立一定体积分数的多种形态颗粒的颗粒增强复合材料三维细观结构模型，颗粒的形状为随机多面体，随机多面体颗粒可通过三角剖分法、多边形拉伸法、多面体圆切割法生成，将建立的细观结构模型一定的格式存储到数据文件中，可用 MATLAB显示细观结构模型，并利用ABAQUS的脚本语言Python读取数据文件中的细观几何模型数据，在ABAQUS中建立三维细观模型。

发明内容

本发明专利提出了一种颗粒随机分布的复合材料三维细观结构建模方法，其特征在于，通过输入几何信息，包括粒度、长径比y/x、长径比z/x、顶点数、生成方法、比例、基体尺寸、体积分数，来建立随机分布的颗粒增强复合材料三维细观几何模型。建模流程如图1所示，具体步骤为：

(1)输入几何信息：几何信息包括粒度、长径比y/x、长径比z/x、顶点数、生成方法、比例、基体尺寸、体积分数，可按照统计分布规律输入颗粒几何信息，如图2所示；

(2)创建颗粒：选取步骤1中的一组分布规律颗粒几何信息来创建颗粒。创建颗粒有三种方法，分别为三角剖分法、多边形拉伸法、多面体圆切法，不同的方法创建的多面体具有不同的特征。例如三角剖分法创建的多面体颗粒的面均为三角形，多边形拉伸法创建的颗粒是底面为多边形的棱柱体，而多面体圆切法是在上述两种方法创建的多面体基础上，或者创建一个矩形体，然后用随机的平面切割多面体，可以使上述两种方法创建的多面体形状进一步发生变化，采用多种方法生成不同形态的多面体颗粒，可以更加逼近实际复合材料内的颗粒形状。

(3)随机放置颗粒：将步骤2中创建的颗粒在基体范围内以坐标轴为原点，分别绕X、Y、Z轴随机旋转一定的角度，然后分别沿X、Y、Z轴方向随机平移一定的距离，完成颗粒放置。

(4)颗粒间干涉检查：颗粒间干涉检查，是保证新创建的颗粒与已存在的颗粒之间不发生干涉，如果新创建的颗粒与已存在的颗粒发生干涉，则返回步骤3重新放置颗粒，如果不干涉，则进入步骤5。

(5)基体-颗粒干涉检查：基体-颗粒干涉检查，检测颗粒是否完全位于基体内部，如果是，则执行步骤7，如果不是，则需要执行步骤6，将颗粒位于基体外的部分进行切割。

(6)颗粒切割：将基体外部的颗粒进行切除，然后将切除后的剩下的部分颗粒作为颗粒，执行步骤7。