二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法技術

本發明專利技術公開了二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法，屬于顆粒增強復合材料細觀仿真的技術領域。本發明專利技術在隨機產生橢圓增強顆粒的基礎上成功建立橢圓周圍等厚度界面拓撲結構的參數模型，進一步考慮顆粒在邊界或外荷載的推動下達到受力平衡的條件，成功實現顆粒緊密堆積在不斷向內收縮的給定區域內，且保證顆粒相互之間不發生重疊現象，構造出的顆粒增強復合材料細觀仿真模型具有自然隨機的周期性邊界，不存在周期邊界上顆粒的取舍問題，通過本發明專利技術提出的建模方法可以得到具有很高含量的顆粒增強復合材料細觀結構模型。

Three dimensional meso scale model of two dimensional high content particle reinforced composite material and method for establishing the same

The invention discloses a three dimensional mesoscopic model of a two-dimensional high content particle reinforced composite material and a method for establishing the same, belonging to the technical field of micro simulation of particle reinforced composite materials. The present invention has reinforced particles on the basis of elliptic elliptic parameter model successfully established around the thickness of interface topology at random, further considering particle force reached equilibrium conditions in pushing the boundaries or external loading, the successful implementation of particle density in a given area continued to shrink in adduction and ensure, among particles does not occur the overlapping phenomenon, the meso simulation model with natural periodic boundary random structure of the particle reinforced, the problem does not exist on the choice of periodic boundary particles, through the modeling method provided by the invention can be obtained with high content of particle reinforced composite microstructure model.

【技術實現步驟摘要】
二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法
本專利技術公開了二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法，屬于顆粒增強復合材料細觀仿真的

技術介紹
水泥基、陶瓷基、聚合物基等顆粒增強復合材料已經被廣泛運用于各種工程結構中。然而，由于顆粒增強復合材料細觀結構的隨機性和復雜性，試驗技術往往只能定性地測量其細觀結構且所得結果的精度經常受制于已有的試驗儀器精度和人為誤差。另外，理論方法在簡化實際物理模型的基礎上近似地計算相應的等效力學性能，需在諸如顆粒含量較低等很多限制條件才有效。隨著計算機硬件和軟件技術的飛速發展，通過計算機模擬顆粒增強復合材料的復雜細觀結構已經成為國際上非常值得期待的研究方向而且引起越來越多國內外學者的關注。數值模擬技術能否在克服以上試驗和理論方法缺陷的同時高效準確地計算高含量顆粒復合材料的力學性能面臨嚴峻挑戰。因此，建立一種高效復雜的顆粒增強復合材料細觀仿真模型以實現材料力學性能的進一步分析是十分必要的。在二維顆粒增強復合材料細觀仿真模型的構造方法上，國內外的大部分學者是通過簡單地在一個給定的區域內隨機確定橢圓的中心坐標以及長軸與x軸的夾角，即隨機生成橢圓形顆粒，然后檢查當前隨機生成的橢圓形顆粒與之前投放的橢圓形顆粒是否相交，如若相交則舍去當前隨機生成的橢圓形顆粒，如若不相交則繼續往下隨機生成橢圓形顆粒。這種方法雖然能夠較為容易地得到隨機分布的顆粒增強復合材料的細觀仿真模型，但是該方法得到的細觀仿真模型只具有較低的顆粒堆積密度因而無法模擬高含量顆粒增強復合材料的細觀結構。另外，界面廣泛地存在于各種非均質復合材料中，它的細觀結構特征對材料的宏觀力學和傳輸性能具有顯著的影響。對于界面過渡區的細觀模擬，國內外學者采用的是在橢圓形顆粒外表面嵌套一層大橢圓來近似表征等厚度的界面層。然而，該方法只有在橢圓的長徑比(長軸與短軸之比)較小的情況下具有較好的近似效果，當橢圓的長徑比變大時，在橢圓形顆粒長軸兩端的近似效果不理想。
技術實現思路
本專利技術的專利技術目的是針對上述
技術介紹
的不足，提供了具有周期性邊界的二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型及建立方法，由高密度橢圓形顆粒、真實界面層與基體組成的三相顆粒增強復合材料細觀模型，解決了以往數值模擬中非球形顆粒含量低、界面難以精確構造、周期性邊界操作繁瑣等技術問題。本專利技術為實現上述專利技術目的采用如下技術方案：二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型，仿真包括基體、界面層及增強顆粒的三相復合材料，增強顆粒隨機緊密地堆積在基體內，每個增強顆粒周圍都包裹有厚度相等的界面層。二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法，包括如下步驟：A、在大正方形區域的每個小區域內隨機生成橢圓形增強顆粒；B、消除大正方形區域任意相鄰的兩邊界并復制與未消除邊界相鄰的橢圓形增強顆粒至已消除邊界的位置以形成大正方形區域的新邊界，以相同的速率移動未消除邊界，周而復始地，構建大正方形區域的新邊界并以相同速率移動未消除邊界直至橢圓形增強顆粒的面積分數滿足要求；C、按照臨近大正方形區域最新邊界形成過程中所消除邊界的橢圓形增強顆粒的分布方式，在大正方形區域最新邊界形成過程中未消除邊界的外部布局新的橢圓形增強顆粒以形成具有周期性邊界條件的增強顆粒堆積模型；D、在增強顆粒堆積模型中每一個橢圓形增強顆粒的外表面構造等厚度的界面層。進一步的，二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法中，步驟A的具體方法為：將大正方形區域劃分為若干小正方形區域，為每個小正方形區域標號，在每個小正方形區域內隨機生成至少一個橢圓形增強顆粒，為每個小正方形區域內的橢圓形增強顆粒都編寫與所屬小正方形區域標號相同的編碼。再進一步的，二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法中，步驟B的具體方法為：消除大正方形區域的右邊界和下邊界，將第一行小正方形區域內的橢圓形增強顆粒復制到大正方形區域的下邊界位置，將第一列小正方形區域內的橢圓形增強顆粒復制到大正方形區域的右邊界位置，復制的距離為當前大正方形區域的邊長，橢圓形增強顆粒復制完成后界定大正方形區域的新邊界，以相同的速率移動大正方形區域的上邊界和左邊界，周而復始地，構建大正方形區域的新邊界并以相同速率移動未消除邊界直至橢圓形增強顆粒的面積分數滿足要求。更進一步的，二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法中，步驟C的具體方法為：待大正方形區域最新邊界形成后，將當前大正方形區域中最后一列以及最后一行小正方形區域內的橢圓形增強顆粒分別復制到當前大正方形區域左邊界的外部和上邊界的外部，復制距離均為當前大正方形區域的邊長。作為二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法的進一步優化方案，步驟D的具體方法為：對直角坐標系下的橢圓形增強顆粒進行坐標變換得到單位圓，根據單位圓及其切線關系得到直角坐標系下界面層的參數方程：其中，(X1,Y1)表示界面層外邊界的坐標，θ表示橢圓形增強顆粒的長軸與直角坐標系下x軸的夾角，a、b分別代表橢圓形增強顆粒的長半軸長和短半軸長，(Xi,Yi)表示橢圓形增強顆粒的中心坐標，t表示界面層的厚度，φ表示單位圓任意邊界點處法向量與單位圓所屬直角坐標x軸的夾角，φ∈(0,2π)。本專利技術采用上述技術方案，具有以下有益效果：1、本專利技術在隨機產生橢圓增強顆粒的基礎上成功建立橢圓周圍等厚度界面拓撲結構的參數模型，進一步考慮顆粒在邊界的推動下(或外荷載作用下)達到受力平衡的條件，成功實現顆粒緊密堆積在不斷向內收縮的給定區域內，且保證顆粒相互之間不發生重疊現象，構造出的顆粒增強復合材料細觀仿真模型具有自然隨機的周期性邊界，不存在周期邊界上顆粒的取舍問題，通過本專利技術提出的建模方法可以得到具有很高含量的顆粒增強復合材料細觀結構模型，本專利技術構造出的單一粒徑橢圓顆粒增強復合材料細觀仿真模型的堆積密度能達到85％。2、為了精確地表征橢圓周圍等厚度的界面層，本專利技術利用幾何拓撲學等相關理論提出了橢圓周圍等厚度界面層的參數模型，構造出界面區域具有低剛度、高孔隙率軟化界面的物理特征，能夠改善現有技術中界面層近似效果不佳的問題。附圖說明圖1是具有周期性邊界條件的單一粒徑橢圓顆粒隨機堆積模型，顆粒堆積密度達到85％。圖2是考慮橢圓顆粒周圍存在等厚度界面層的周期邊界模型。圖3是一般橢圓隨機動態堆積程序的框圖。圖4是本專利技術周期性邊界建立方法的示意圖。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)是橢圓顆粒等厚度界面構造方法的示意圖。圖6是采用以上推導的等厚度界面參數方程構造出的等厚度界面結果的示意圖。具體實施方式下面結合附圖對專利技術的技術方案進行詳細說明。一種具有周期性邊界的二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法：首先，建立周期性邊界條件；接著，隨機堆積橢圓形增強顆粒；最后，構造橢圓表面周圍的等厚度界面層。具體包含如下步驟：步驟1：如圖4所示，在每個小正方形區域中隨機生成若干橢圓(這里為一個)，并給每個橢圓一個編碼以示區分，這些編碼與小正方形區域的編碼相同。橢圓隨機動態堆積的程序如圖3所示。步驟2：將大正方形區域的右邊界和下邊界取消，如圖4中虛線所示，并且將第一行小正方形區域內的橢圓向下復制到大正方形區域的下邊，將第一列小正方形區域內的橢圓形顆粒復制到大區域的右邊，復制的距離本文檔來自技高網...

【技術保護點】
二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型，其特征在于，所述二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀仿真模型仿真包括基體、界面層及增強顆粒的三相復合材料，所述增強顆粒隨機緊密地堆積在基體內，每個增強顆粒周圍都包裹有厚度相等的界面層。

【技術特征摘要】
1.二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型，其特征在于，所述二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀仿真模型仿真包括基體、界面層及增強顆粒的三相復合材料，所述增強顆粒隨機緊密地堆積在基體內，每個增強顆粒周圍都包裹有厚度相等的界面層。2.二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法，其特征在于，包括如下步驟：A、在大正方形區域的每個小區域內隨機生成橢圓形增強顆粒；B、消除大正方形區域任意相鄰的兩邊界并復制與未消除邊界相鄰的橢圓形增強顆粒至已消除邊界的位置以形成大正方形區域的新邊界，以相同的速率移動未消除邊界，周而復始地，構建大正方形區域的新邊界并以相同速率移動未消除邊界直至橢圓形增強顆粒的面積分數滿足要求；C、按照臨近大正方形區域最新邊界形成過程中所消除邊界的橢圓形增強顆粒的分布方式，在大正方形區域最新邊界形成過程中未消除邊界的外部布局新的橢圓形增強顆粒以形成具有周期性邊界條件的增強顆粒堆積模型；D、在增強顆粒堆積模型中每一個橢圓形增強顆粒的外表面構造等厚度的界面層。3.根據權利要求2所述二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法，其特征在于，步驟A的具體方法為：將大正方形區域劃分為若干小正方形區域，為每個小正方形區域標號，在每個小正方形區域內隨機生成至少一個橢圓形增強顆粒，為每個小正方形區域內的橢圓形增強顆粒都編寫與所屬小正方形區域標號相同的編碼。4.根據權利要求3所述二維高含量顆粒增強復合材料三相細觀模型的建立方法，其特征在于，步驟B的具體方法為：消除大正方形區域的右邊界和下邊界，將第一行小正方形區域內的橢圓形增強顆粒復制到大正方形區域的下邊界位置，將第一列小正方形區域內的橢圓形增強顆粒復制到大正方形區域的右邊界位置，復制的距離為當前大正方形區域的邊長，橢圓形增強顆粒復制完成...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許文祥，徐彬彬，韓中美，楊楠山，蔣存存，
申請(專利權)人：河海大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32