[发明专利]一种预测周期性材料性能的不确定性分析方法

摘要

本发明涉及一种预测周期性材料性能的不确定性分析方法，该方法先利用理论推导设计了一种细观微结构胞元加载边界条件，并证明该条件下通过有限元仿真计算所求得的等效性能可以代表整个材料的等效性能。本发明在对材料典型微细单胞尺度构型分析获取材料等效弹性模量过程中，充分考虑胞元尺寸与基体材料性能的不确定性，分析不确定性在宏细观等效过程中的传播，得到材料性能的实际波动范围，确保结果的安全性。

主权项

1.一种预测周期性材料性能的不确定性分析方法，其特征在于实现步骤如下：步骤(1)针对实际目标材料内部细观尺度的周期性排布规律，选取有效的立方形微结构胞元，该胞元在各个方向进行阵列能够重组复现材料内部构性分布规律，且满足对称性要求，记为典型胞元；步骤(2)对于上一步得到的典型胞元利用工程软件的CAD(计算机辅助设计)工具建立数字化几何模型，以关键点确定胞元的关键位置坐标，以线连结点确定胞元的关键结构，从而得到简化的胞元几何模型，上述即为几何建模过程；步骤(3)将典型胞元几何模型进一步转化为可用于数值计算的有限元模型，基于CAE(计算机辅助工程)工具，读入基体材料的基本性能数据与胞元尺寸数据，对所述典型胞元几何模型进行参数设置、材料属性设置、网格划分的有限元建模过程，以梁单元模拟胞元关键结构，各梁即为前述几何模型中关键点连线，各梁端点即为关键点，最终建立梁单元模拟下的典型胞元有限元模型，上述即为有限元建模过程；步骤(4)得到有限元模型后，施加特定周期性条件以模拟典型胞元在材料中的相互作用，在CAE工具内体现为关键点之间的位移关系方程，以实现不同关键点之间位移耦合的效果；步骤(5)进一步施加边界条件以模拟受到外载荷后通过材料分布在单个典型胞元上的位移与力的作用，在CAE工具内体现为典型胞元立方体顶点的强制位移与固定；步骤(6)施加周期性条件与边界条件后，在CAE工具内进行仿真计算，并利用后处理功能提取得到各关键点支反力、位移结果数据，根据支反力与位移计算相应的胞元等效模量，将模量以结果文件的形式输出，上述操作即为计算与输出过程；步骤(7)将整个流程中所包含的几何建模过程、有限元建模过程、施加周期性条件过程、施加边界条件过程和计算与输出过程编写为APDL命令语句的形式，将语句整合为自动处理命令流文件，利用CAE软件调用命令流文件可以自动读入基体材料属性与胞元尺寸参数，生成相应几何模型与有限元模型，进行计算并输出相应结果文件，为不确定性分析做准备；步骤(8)根据一定间隔与范围，对基体材料属性与几何尺寸的平均值进行扰动，分别得到一定间隔的基体材料属性与几何尺寸的可能取值，对两组取值进行两两匹配，得到基体材料属性与胞元尺寸分别独立变化下的组合取值方案合集；步骤(9)利用上一步得到的自动处理命令流文件对合集中每一种方案进行分析，所有方案结果组合即为在典型微结构胞元性能等效中的不确定性传播结果变化情况，将所有结果中最大值与最小值分别取出即可得到典型微结构胞元性能等效结果的不确定性变化范围。