[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

说明书

本发明公开了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，包括制备不同填充工艺下的复合材料试验样品；测试样品拉伸力学性能，得到填充复合材料的弹性模量；对样品进行分层切割及扫描，得到二维分布状态；利用逆向工程软件对二维分布图像进行逆向建模，得到三维几何模型；将得到的三维几何模型导入到有限元模拟软件中，施加一定的载荷约束条件，计算材料相应的力学性能。本发明可以准确得到碳酸钙颗粒在填充复合材料基体中的实际分布状态，克服颗粒随机分布或者理想分布模型中存在的与实际分布状态的偏差，避免由于几何模型的偏差引起的性能预测误差。

技术领域

本发明涉及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，适用于碳酸钙粉体填充聚合物基复合材料力学性能的预测，属于复合材料制造技术领域。

背景技术

碳酸钙粉体(CaCO₃)是填充聚合物基复合材料加工中广泛使用的无机填料，它不仅可以减少树脂用量，降低成本，还可以改善复合材料的强度、韧性、硬度、弹性模量、尺寸稳定性等。CaCO₃/PVC及CaCO₃/PP填充复合材料作为碳酸钙粉体填充聚合物基复合材料中应用广泛的两种材料，需要具备良好的拉伸强度、韧性、冲击强度和弯曲强度等综合力学性能，才能满足不同应用领域的使用需求。

影响碳酸钙粉体填充聚合物基复合材料力学性能的因素很多，主要包括碳酸钙填料的化学组成成分、矿物组成结构、颗粒的粒径及分布、晶形或颗粒的几何形状、颗粒表面性质以及白度、硬度、密度等物理特性。目前关于碳酸钙填充工艺的研发以开展大量工艺实验为主，对于不同填充工艺对复合材料力学性能的影响机理缺乏深入研究；为寻求碳酸钙填充工艺与复合材料力学性能的理想组合，需要开展大量的工艺开发及性能测试实验，导致研发周期过长，材料性能有待进一步提高。

计算机辅助材料设计是近年发展起来的多学科交叉的新型研究领域，吸收和综合不同学科的知识与方法，对材料进行计算机辅助设计。在计算机辅助复合材料设计中，应用有限元计算微观力学来对复合材料的微观结构进行计算机模拟设计，强调复合材料微观结构与宏观性能的定量关系，实现虚拟材料设计、虚拟制备、虚拟成型、虚拟失效分析等功能。

中国专利CN111079334A公开的基于细观力学的短纤维复合材料有效弹性模量预测方法，基于Mori-tanaka等效夹杂理论，建立基于细观力学的三维有限元模型，输入参数为基体材料性能和纤维的材料性能获得应变场，结合复合材料各相的平均应变关系和短纤维复合材料有效刚度计算获得复合材料有效弹性系数，根据有效弹性系数与复合材料有效弹性模量的关系，实现短纤维复合材料有效弹性模量的预测。

中国专利CN110750906A公开了一种基于复合材料细观力学的复合材料性能预测方法。包含信息输入模块、运算模块与信息输出模块。在信息输入模块中输入材料性能及树脂含量信息，并确定合适的ζ值与C值，提交运算模块进行计算，计算得到的预测材料性能数据通过信息输出模块进行输出。

现有使用有限元模型计算复合材料力学性能的方法，基本都是以随机吸附法生成的代表性体积单元或者增强颗粒理想分布模型作为几何模型，在此基础上进行有限元网格划分和载荷边界条件的设置，计算得到复合材料的力学性能。

在碳酸钙粉体填充复合材料中，碳酸钙颗粒的粒径、分布及几何形状会对最终复合材料的力学性能产生重要影响，且对碳酸钙粉体进行表面改性处理后，颗粒在基体中的分布状态将发生较大变化。此时采用随机生成的代表性体积单元或者颗粒理想分布模型作为有限元计算的几何模型，会导致后续的性能计算产生较大偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种采用实际样品反向建模的方式得到碳酸钙粉体填充聚合物基复合材料的实际几何结构，并采用复合材料均质化公式计算材料的宏观力学性能的测试方法。采用该方法可以克服颗粒随机分布或者理想分布模型中存在的与实际分布状态的偏差，准确得到碳酸钙颗粒在填充复合材料基体中的实际分布状态，避免由于几何模型的偏差引起的性能预测误差。