[发明专利]一种基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法

权利要求书

1.一种基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设计多因素多水平的正交试验，制备不同填充工艺参数下的碳酸钙填充复合材料试验样品；

步骤2、分别对步骤1制备的试验样品进行拉伸力学性能测试，得到不同填充工艺参数下复合材料的弹性模量；

步骤3、分别对步骤1制备的试验样品进行分层切割及扫描，得到不同填充工艺参数下碳酸钙颗粒的二维分布状态图像；

步骤4、对步骤3得到的二维分布图像进行逆向建模，得到不同填充工艺参数下碳酸钙颗粒的三维几何模型；

步骤5、将步骤4得到的三维几何模型导入有限元模拟软件中，施加单轴匀速恒定拉伸载荷，计算碳酸钙填充复合材料的弹性模量。

2.如权利要求1所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤1中，所述填充工艺参数包括填充体积比、颗粒粒径、表面改性状态。

3.如权利要求1所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤3中，通过X线CT技术无损检测对试验样品进行分层切割及扫描。

4.如权利要求1所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤3中，通过化学溶解基体的方法对试验样品进行分层切割及扫描。

5.如权利要求4所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，所述化学溶解基体的方法包括如下步骤：

3A.选择合适的化学溶剂，在试样表面擦拭该化学溶剂一段时间，使得表面的聚合物基体发生溶解，而碳酸钙颗粒不发生变化；

3B.利用显微仪器观察并记录经表面处理后试样表面图像；

3C.利用机械去除方式，将已观察的表面及以下一定深度的试样进行切除；

3D.重复步骤3A-3C，直至试样被切除的深度达到碳酸钙颗粒粒径的5倍，得到不同切除深度下碳酸钙颗粒的二维分布图像。

6.如权利要求5所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤3B中，所述显微仪器为扫描电子显微镜或光学显微镜。

7.如权利要求5所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤3C中，所述机械去除方式为用砂纸人工磨试样或利用磨床进行磨削，所述切除试样的深度为碳酸钙颗粒粒径的1/3。

8.如权利要求1所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤4中，通过逆向工程软件进行逆向建模，所述逆向工程软件为VisualSFM、123D、OpenMVS、MATLAB中的一种。

9.如权利要求1所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤5的实现方法为：

5A.使用网格划分软件导入步骤4中的建立的三维几何模型，分别划分聚合物基体和碳酸钙颗粒的网格，设定基体和颗粒的弹性性能参数，建立碳酸钙填充复合材料基于细观力学代表性体积单元有限元模型；

5B.将5A中建立的有限元模型导入有限元分析软件，计算填充复合材料中各相结构响应，添加均匀应力边界条件，建立边值问题，利用有限元后处理分析分别获得基体和颗粒的应变场和应力场；

5C.分别提取基体和颗粒的应变场和应力场，计算基体和颗粒的平均应变和平均应力其计算公式为：

式中，υ为整个代表性体积单元有限元模型的体积，ε(x)为基体模型或者颗粒模型内某一个节点的应变值，σ(x)为基体模型或者颗粒模型内某一个节点的应力值。

5D.计算填充复合材料代表性体积单元内的平均应变和平均应力，计算公式为：

式中，和分别为基体和颗粒的平均应变，和分别为基体和颗粒的平均应力，γ为颗粒填充体积比；

5E.计算填充复合材料的宏观拉伸弹性模量，计算公式为：

10.如权利要求9所述的基于反向建模的碳酸钙填充复合材料力学性能预测方法，其特征在于，步骤5A中，所述弹性性能参数包括弹性模量和泊松比。