[发明专利]构建颗粒增强复合材料三维微观构型的方法

说明书

本发明涉及一种构建颗粒增强复合材料三维微观构型的方法，包括以下步骤：确定颗粒的几何参数；计算代表单元尺寸；确定颗粒的分布参数；根据颗粒的几何参数与分布参数构建泰森多边形；将所述泰森多边形导入有限元软件，根据点、线、面、体关系构建颗粒，并进行离散、缩放，形成不同颗粒分布模型。上述构建颗粒增强复合材料三维微观构型的方法，在有限元软件中实现了对复合材料的复杂微观结构的描述以及高效、自动化批量建模；以颗粒的几何参数和其分布参数为重要变量，快速构建复合材料不同的三维微观构型，极大的提高了复合材料数值计算的建模效率。

技术领域

本发明涉及复合材料的有限元建模技术领域，特别是涉及一种构建颗粒增强复合材料三维微观构型的方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是将高强度的第二增强相添加到金属基体中制成的复合材料，具有高强度、高弹性模量、耐磨损和导电导热性能好等优点，广泛应用于航空航天、电子、汽车及建筑等行业。同时，其具有宏观各向同性、容易二次加工且制造工艺更为简单、造价更为低廉等优点，特别是铝基复合材料已经进入商业化生产阶段，具有巨大的应用潜力。

为了制备出强度性能高且同时还能保持较好的塑性、韧性和可加工性能的复合材料，几十年来在基体及增强物的选择、制备工艺、界面控制等方面已有大量的研究成果：通常认为选择韧性较好的基体、改善增强体和基体的浸润性、控制界面反应生成较强的结合界面、使用较小的颗粒并促使颗粒均匀分布会提高复合材料的韧性。但是仅从上述这些方面进行调控来提升复合材料强韧性的空间逐渐变窄。近年来，随着对复合材料强韧化机理认识的不断加深，通过微观构型设计来提升复合材料强韧性的巨大潜力被逐渐认识和开发出来。先进复合材料微观构型设计呈现出由单一增强体复合到多元增强体混杂复合、由无序构型分布(均匀分布)到有序构型分布及二次复合构型分布(团聚分布、层状分布、网状分布和双尺寸分布)发展的趋势。

单纯采用实验方法研究复合非均匀微观构型变化对复合材料宏观强韧性的影响规律是非常困难而且代价昂贵，因此，迫切需要理性化的研究方法来揭示复合非均匀微观构型变化对复合材料宏观强韧性的影响规律，从而指导先进复合材料微观构型设计。对于复合材料的微观代表单元的建模方法，大多数算法重构的模型仅考虑了颗粒随机分布的情况。而基于实际微观结构的模型对实验设备和技术要求较高、过程复杂且花费时间较长。对于团聚分布、层状分布、网状分布和双尺寸分布等典型复合非均匀微观构型，目前还没有有效的数值建模方法提出。

发明内容

基于此，有必要针对颗粒增强复合材料不同微观构型缺乏快速、高效数值建模问题，提供一种能够快速重构颗粒增强复合材料不同三维微观构型的构建颗粒增强复合材料三维微观构型的方法。

一种构建颗粒增强复合材料三维微观构型的方法，包括以下步骤：

确定颗粒的几何参数，其中，所述颗粒几何参数包括颗粒等效直径、颗粒个数与体积分数；

计算代表单元尺寸；

确定颗粒的分布参数，其中，所述颗粒分布参数包括颗粒分布类型、非均匀分布的非均匀度、网状分布的网眼个数与双尺寸分布的大颗粒个数及大颗粒等效直径；

根据颗粒的几何参数与分布参数构建泰森多边形；

将所述泰森多边形导入有限元软件，根据点、线、面、体关系构建颗粒，并进行离散、缩放，形成不同颗粒分布模型。

进一步的，所述确定颗粒的分布参数的步骤包括以下步骤：

判断分布类型是否为随机分布，若否，则确定非均匀分布的非均匀度。

进一步的，在所述确定非均匀分布的非均匀度的步骤之后还包括以下步骤：

判断分布类型是否为网状分布或者双尺寸分布，若否，则确定分布类型为球形团聚、方形团聚或层状分布。

进一步的，在所述确定非均匀分布的非均匀度的步骤之后还包括以下步骤：